Трехфазный силовой трансформатор: потери в сердечнике, соединения и критерии выбора

1000 кВА трехфазный силовой трансформатор которая остается под напряжением в течение 25 лет, потеряет больше денег в виде основных потерь, чем ее собственная покупная цена, часто вдвое. Эта статистика объясняет, почему решения по спецификациям изменились: инженеры больше не выбирают только первоначальную стоимость, но и совокупное поведение материала сердечника, конфигурации обмотки, класса охлаждения и эффективности срока службы.

01 Как работает трехфазный силовой трансформатор

Трехфазный силовой трансформатор — это электромагнитное устройство, которое передает электрическую энергию между двумя трехфазными системами переменного тока посредством магнитной индукции. Он выполняет ту же работу по преобразованию напряжения, что и однофазный блок, но с тремя первичными и тремя вторичными обмотками, расположенными на одном ламинированном магнитном сердечнике.

Сердечник изготовлен из текстурированной электротехнической стали или аморфной металлической ленты с тремя плечами, по которым передается магнитный поток. Каждое плечо соединяет одну первичную и одну вторичную обмотку. При сбалансированном трехфазном питании поток в каждом плече смещается на 120 электрических градусов относительно других. Поскольку коэффициент трансформации равен коэффициенту витков, для понижения напряжения с 10 кВ до 0,4 кВ требуется коэффициент трансформации 25:1 в каждой фазе.

Трехфазная передача существует, потому что она количественно более эффективна. При той же массе проводника и уровне изоляции трехфазная линия выдает примерно в 1,73 раза больше мощности, чем сопоставимая однофазная система. Этот фактор проявляется на каждом этапе принятия решения: генераторы, сетевые подстанции, промышленные сети и инженерные сети стандартизируют трехфазное питание, а интерфейсом этих систем обычно является трехфазный силовой трансформатор.

Короче говоря, трехфазный силовой трансформатор преобразует уровень напряжения, сохраняя при этом соотношение фаз между тремя линиями под углом 120 градусов.

02 Маслонаполненный или сухой тип: выбор платформы

Первым конструктивным решением является среда, используемая для изоляции и охлаждения: жидкостная или сухая. Каждая платформа хорошо зарекомендовала себя; Правильный ответ зависит от условий установки, мощности и требований пожарной безопасности.

В масляных трансформаторах для изоляции обмоток и передачи тепла к поверхности бака, где его рассеивают радиаторы или вентиляторы, используется минеральное масло или эфирная жидкость. Они доминируют на подстанциях и промышленных объектах высокой мощности, поскольку жидкостное охлаждение гораздо более эффективно, чем воздушное охлаждение мощностью выше 2000 кВА. В трансформаторах сухого типа используется воздушная изоляция или изоляция из литой смолы. Они являются нормой в коммерческих зданиях, больницах, центрах обработки данных и закрытых производственных предприятиях, где отсутствие горючей жидкости упрощает противопожарную защиту и позволяет осуществлять установку без обвалования или противопожарных стен.

Для большинства локальных распределительных сетей мощностью от 100 до 2500 кВА могут работать оба варианта. Решение сводится к ограничениям строительных норм, доступному пространству и воздействию погодных условий. Заполненный жидкостью агрегат может располагаться на открытом воздухе с помощью простого ограждения; агрегат сухого типа следует устанавливать в помещении или внутри защищенного от атмосферных воздействий кожуха.

Трехфазный трансформатор сухого типа с кремниевым стальным сердечником Этот трансформатор сухого типа, отлитый из эпоксидной смолы, подходит для установки внутри помещений или в защищенных от атмосферных воздействий местах, где важны пространство и безопасность. Его конструкция с низкими потерями холостого хода учитывает обсуждаемые здесь эксплуатационные расходы, что делает его практичным выбором для городских объектов и объектов с высокими требованиями. Посмотреть продукт →

03 Материал сердечника: аморфные и кремниевые потери в стали

Материал сердечника определяет потери на холостом ходу, что приводит к штрафу оператора за каждый час подключения трансформатора, независимо от того, загружен он или нет. Потери на холостом ходу доминируют в эксплуатационных расходах распределительных трансформаторов, которые обычно работают при низкой средней нагрузке.

Кремниевая сталь с ориентированной зеренной структурой на протяжении десятилетий была стандартным материалом сердцевины, потери на холостом ходу составляли от 0,2 до 0,5 процента номинальной мощности в зависимости от марки. Сердечники из аморфного сплава, изготовленные из быстро затвердевшей металлической ленты, сокращают эти потери на 60–80 процентов. Компромиссом является большее поперечное сечение сердечника и более высокая стоимость приобретения, которую необходимо компенсировать за счет экономии энергии.

В трансформаторе мощностью 1000 кВА обычный кремний-стальной сердечник непрерывно рассеивает примерно 1,5 кВт. Аморфный сердечник снижает эту мощность примерно до 700 Вт, экономя примерно 7000 кВтч в год при коэффициенте загрузки 80 процентов. При цене 0,12 доллара США за кВтч это составляет около 840 долларов США годовой экономии без учета сборов за спрос или цен на выбросы углерода.

Масляный трансформатор с сердечником из аморфного сплава Благодаря сверхнизким потерям в сердечнике это устройство напрямую снижает постоянные потери энергии, описанные в предыдущем сравнении. Его устойчивая к атмосферным воздействиям конструкция также подходит для установки на открытом воздухе, обеспечивая значительную ежегодную экономию при низком уровне шума и повышения температуры. Посмотреть продукт →

Масляный трансформатор с ленточным сердечником из кремниевой стали Полностью герметичная конструкция с использованием высокоэффективной кремнистой стали и бескислородной меди сводит к минимуму потери на холостом ходу и необходимость технического обслуживания. Этот трансформатор является надежным вариантом для использования вне помещений для распределения электроэнергии, что соответствует соображениям эффективности, изложенным в сопутствующем тексте. Посмотреть продукт →

04 Треугольник и звезда: конфигурации соединений

Соединение обмотки обеспечивает доступность нейтрали, фазовый сдвиг, поведение нулевой последовательности и гармоническое взаимодействие. Это эксплуатационные характеристики, а не мелкие паспортные данные.

При соединении треугольником каждая обмотка соединяется угол к углу, образуя замкнутый треугольник. Треугольник не обеспечивает нейтраль, обычно используется на стороне высокого напряжения и ограничивает токи тройной гармоники, поэтому они циркулируют внутри, а не попадают в сеть. При соединении звездой один конец каждой обмотки подключается к общей нейтральной точке. Сторона звезды обеспечивает нейтральный проводник для однофазных нагрузок и допускает более высокое напряжение между фазой и нейтралью.

Группа векторов — это стандартизированное обозначение, описывающее способ соединения обмоток высокого и низкого напряжения и сдвиг фаз между ними, выраженный в часах.

05 Критерии выбора трехфазного силового трансформатора

Пять параметров определяют трехфазный силовой трансформатор: мощность в кВА, коэффициент трансформации, векторную группу, полное сопротивление и класс охлаждения. Факторы применения, такие как температура окружающей среды, высота над уровнем моря и гармоническая нагрузка, влияют на окончательную номинальную мощность.

• Емкость: размер измеренного пикового спроса плюс запас роста 20–25%.
• Коэффициент напряжения: первичная обмотка соответствует питающей сети; вторичная обмотка соответствует нагрузке (400 В, 690 В или 11 кВ).
• Импеданс: 4-6% для распределения; более высокие значения ограничивают ток повреждения, но увеличивают регулирование напряжения.
• Векторная группа: Dyn11 для большинства функций распределения.
• Класс охлаждения: ONAN в стандартной комплектации; добавьте вентиляторы или насосы для запланированных сезонных пиков.

Увеличение номинального значения увеличивает потери на холостом ходу, поскольку потери в сердечнике существуют независимо от того, нагружен трансформатор или нет. Недостаточный размер снижает эффективность и ускоряет старение изоляции. Именно этот компромисс является причиной того, что многие спецификации теперь требуют аморфных сердечников и диапазона нагрузки от 60 до 80 процентов номинальной мощности.

Для распределения напряжения от 6 до 35 кВ компания Jiangsu Hengyuan Transformer Co., Ltd. строит платформы как маслонаполненного, так и сухого типа с сердечниками из кремниевой стали или аморфной стали, что упрощает сравнение на этапе торгов. Более глубокое рассмотрение инженерных компромиссов представлено в нашей трехфазный силовой трансформатор selection guide , который выполняет вычисления для каждого параметра.

Эмпирическое правило: выбирайте трансформатор так, чтобы он работал на уровне от 60% до 80% номинальной мощности при нормальной эксплуатации. Этот диапазон уравновешивает эффективность, повышение температуры и будущий запас мощности.

06 Часто задаваемые вопросы

Могут ли три однофазных трансформатора заменить один трехфазный силовой трансформатор?

Да, три одинаковых однофазных блока можно объединить в трехфазный блок. Этот подход обеспечивает пофазное резервирование и упрощает замену, но он стоит примерно на 20–30 процентов дороже, занимает больше площади и имеет более высокие общие потери, чем одиночный трехфазный блок того же номинала.

Что означает Dyn11 на заводской табличке?

Dyn11 — это обозначение группы векторов: D означает, что обмотка высокого напряжения соединена треугольником, y означает, что обмотка низкого напряжения соединена звездой, n означает, что нейтраль звезды выведена наружу, а 11 указывает сдвиг фазы в часовом поясе на 330 градусов между сторонами высокого и низкого напряжения.

Аморфный сердечник или сердечник из кремнистой стали, что лучше?

Аморфные сердечники сокращают потери на холостом ходу на 60–80 процентов и позволяют снизить стоимость жизненного цикла, когда трансформатор работает непрерывно при низкой нагрузке. Кремниевая сталь обходится дешевле и позволяет создать более компактную конструкцию. Для коммунальных предприятий и промышленных объектов с высокой продолжительностью работы аморфный сплав обычно является лучшим решением по совокупной стоимости.

Почему потери на холостом ходу так важны?

Потери на холостом ходу происходят круглосуточно, когда трансформатор находится под напряжением, независимо от нагрузки. За 25-летний срок службы они могут превысить закупочную цену трансформатора, в результате чего потеря сердечника становится доминирующим фактором общей стоимости владения.