Nozioni fondamentali sul trasformatore in olio da 11 kV per principianti e ingegneri

1. Introduzione

All'interno della rete di distribuzione dell'energia, i trasformatori sono apparecchiature fondamentali che convertono i livelli di tensione dell'energia elettrica e garantiscono la trasmissione di energia a lunga distanza e una distribuzione sicura dell'energia. Essendo uno dei dispositivi più ampiamente adottati nel settore della distribuzione, il trasformatore in olio da 11 kV richiede una solida conoscenza delle teorie di base, delle caratteristiche strutturali, della logica operativa e dei limiti applicativi per i nuovi professionisti del settore energetico, studenti di elettricità, ingegneri di manutenzione sul campo e progettisti elettrici di progetto. Molti principianti tendono a confondere gli scenari applicabili tratrasformatori in olioe trasformatori a secco, mentre gli ingegneri devono comprendere a fondo i principi alla base della selezione delle apparecchiature, dell'ispezione di routine e della diagnosi dei guasti. Questo articolo copre sistematicamente la conoscenza fondamentale dei trasformatori in olio da 11 kV da molteplici dimensioni, comprese definizioni di base, strutture principali, principi operativi, indicatori chiave di prestazione, scenari applicativi, linee guida per la manutenzione e malintesi comuni. Bilancia i riferimenti scientifici introduttivi e i riferimenti pratici di ingegneria.

2. Cos'è un trasformatore in olio da 11 kV

11kV si riferisce alla tensione operativa nominale sul lato ad alta tensione del trasformatore. Questo tipo di trasformatore di distribuzione in genere riduce la potenza ad alta tensione da 11 kV a bassa tensione da 0,4 kV per alimentare carichi terminali come fabbriche, aree residenziali e complessi commerciali. Il termine immerso nell'olio significa che il nucleo di ferro e gli avvolgimenti del trasformatore sono completamente immersi in uno speciale olio per trasformatori, che svolge due funzioni fondamentali: isolamento elettrico e trasferimento di calore per il raffreddamento.

Rispetto atrasformatori a secco, i trasformatori immersi in olio vantano una lunga storia di sviluppo e una tecnologia collaudata. Presentano costi complessivi inferiori, maggiore capacità di sovraccarico ed eccellenti prestazioni di dissipazione del calore, quindi sono ampiamente utilizzati nelle stazioni di distribuzione all'aperto, nelle miniere e nelle reti elettriche rurali. Tuttavia, le apparecchiature immerse nell'olio comportano rischi di perdite d'olio e combustione. Non può essere installato direttamente all'interno di stanze chiuse o edifici densamente occupati, il che rappresenta il principale fattore limitante per gli ingegneri durante la scelta dell'apparecchiatura.

3. Strutture principali interne ed esterne

Componenti interni

1. Nucleo di ferro: generalmente fabbricato impilando fogli di acciaio al silicio laminati a freddo con elevata permeabilità magnetica. Forma un percorso magnetico per ridurre al minimo la perdita di eccitazione e la perdita di correnti parassite, riducendo la generazione di calore a vuoto del trasformatore. Il nucleo di ferro deve essere messo a terra in modo affidabile per evitare guasti causati da potenziale fluttuante.
2. Avvolgimenti ad alta e bassa tensione: avvolgimenti con conduttori isolati in rame o alluminio, suddivisi in avvolgimenti ad alta tensione e avvolgimenti a bassa tensione. Seguendo la legge dell'induzione elettromagnetica, la corrente alternata genera campi magnetici alternati all'interno del nucleo di ferro e il campo magnetico induce tensioni diverse sui due gruppi di avvolgimenti. La carta isolante multistrato avvolge lo strato esterno degli avvolgimenti per separare i conduttori dall'olio del trasformatore.

Componenti esterni

1. Serbatoio dell'olio: un guscio in acciaio che contiene il nucleo di ferro, gli avvolgimenti e l'olio del trasformatore, supportando tutti i componenti interni.
2. Gruppo di dissipazione del calore: radiatori o serbatoi dell'olio ondulati. Il calore generato durante il funzionamento del trasformatore si trasferisce al corpo dell'olio. L'olio caldo scorre verso l'alto, si raffredda dopo essere passato attraverso i radiatori e affonda per completare la circolazione del calore per convezione naturale. I modelli di capacità maggiore sono dotati di ventole di raffreddamento per migliorare la dissipazione del calore.
3. Conservatore (serbatoio di espansione dell'olio): montato sulla parte superiore del serbatoio dell'olio. Al variare della temperatura dell'olio, l'olio del trasformatore si espande e si contrae. Il conservatore compensa la variazione del volume dell'olio e riduce il contatto diretto tra l'olio del trasformatore e l'aria per rallentare l'ossidazione e il deterioramento dell'olio.
4. Accessori di protezione: compreso relè Buchholz, valvola limitatrice di pressione, indicatore della temperatura e del livello dell'olio, commutatore. Il commutatore di presa regola le spire degli avvolgimenti ad alta tensione in condizioni di spegnimento per ottenere una leggera regolazione della tensione e compensare le fluttuazioni della tensione di rete. Il relè Buchholz monitora i guasti interni del serbatoio dell'olio. Quando all'interno si verificano archi elettrici o cortocircuiti che producono gas, si attivano allarmi o interventi. La valvola limitatrice di pressione si apre per rilasciare la pressione se la pressione interna aumenta bruscamente, evitando l'esplosione del serbatoio dell'olio.

4. Principio di funzionamento di base

Gli 11kVtrasformatore in olioraggiunge la conversione di tensione basata sul principio dell'induzione elettromagnetica. Quando una corrente alternata da 11 kV fluisce nell'avvolgimento ad alta tensione, la corrente alternata crea un campo magnetico alternato all'interno del nucleo di ferro. Questo campo magnetico alternato penetra contemporaneamente nell'avvolgimento a bassa tensione. Secondo la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, su entrambe le estremità dell'avvolgimento a bassa tensione viene indotta una tensione alternata. Il rapporto delle spire dell'avvolgimento determina il rapporto di tensione: U1/U2=N1/N2.

I trasformatori possono convertire solo corrente alternata. Non possono cambiare la frequenza dell’energia elettrica o generare energia elettrica dal nulla. La potenza teorica in uscita è uguale alla potenza in ingresso. Nel funzionamento pratico, esistono perdite a vuoto e perdite a carico e tutte le perdite vengono convertite in calore, il che spiega perché per l'apparecchiatura è obbligatoria una dissipazione continua del calore.

Perdita a vuoto: quando il trasformatore è alimentato mentre nessun carico è collegato al lato a bassa tensione, le perdite generate dall'isteresi magnetica e dalle correnti parassite nel nucleo di ferro, che rimangono quasi costanti. Perdita di carico: quando il trasformatore funziona con carichi, perdita di calore generata dalla resistenza dei conduttori dell'avvolgimento, che aumenta all'aumentare della corrente di carico.

5. Interpretazione dei parametri tecnici chiave

Sia che i principianti leggano le schede tecniche dei prodotti o che gli ingegneri conducano la selezione dei progetti, è essenziale comprendere i parametri fondamentali:

• Alta tensione nominale: 11kV; Bassa tensione nominale: 0,4 kV
• Capacità nominale: Unità in kVA. Le specifiche comuni includono 50kVA,100kVA,200kVA,400kVA,630kVA,1000kVA, che rappresentano la potenza apparente che il trasformatore può fornire in sicurezza per un funzionamento a lungo termine.
• Tensione di impedenza: tensione di cortocircuito, che determina l'entità della corrente di cortocircuito ed è fondamentale per la progettazione della protezione del sistema.
• Parametri di perdita: perdita senza carico e perdita di carico, che influiscono direttamente sul costo del consumo energetico a lungo termine dell'apparecchiatura.
• Classe di isolamento: i trasformatori immersi in olio adottano principalmente un sistema di isolamento di Classe A, con una temperatura massima consentita di 105 gradi.

6. Scenari applicativi tipici e considerazioni sulla selezione

11kV trasformatori di distribuzione in oliosono ampiamente applicati nel potenziamento della rete elettrica urbana e rurale, nell'alimentazione elettrica di parchi industriali, nelle stazioni di pompaggio dell'acqua, nell'alimentazione elettrica residenziale nelle aree rurali e nell'alimentazione elettrica di piccole miniere. Gli ingegneri devono valutare in modo completo la capacità di carico, la fluttuazione del carico, l'ambiente di installazione (umidità esterna, polvere, gas corrosivo), lo schema di protezione da cortocircuito e le condizioni di prevenzione incendi per la selezione dell'apparecchiatura. I principianti dovrebbero tenere presente il principio fondamentale della selezione: i trasformatori di tipo secco sono preferiti per i siti interni densamente occupati; i trasformatori immersi in olio sono la prima scelta per siti esterni aperti con budget limitati.

7. Manutenzione operativa di base e identificazione dei guasti

La manutenzione regolare è fondamentale per prolungare la durata di servizio del trasformatore. Elementi di ispezione di routine: controllare se il livello dell'olio rimane entro l'intervallo normale, ispezionare le perdite di olio, monitorare la temperatura eccessiva dell'olio e ascoltare il rumore di funzionamento. In condizioni di funzionamento normali, il trasformatore produce un suono uniforme e basso. Un crepitio o un ronzio anomalo solitamente indicano guasti all'isolamento interno o al nucleo di ferro.

Difetti comuni: perdite d'olio, invecchiamento dell'isolamento, scarso contatto del commutatore, messa a terra multipunto del nucleo di ferro. Una volta attivata la protezione Buchholz, sono necessarie l'interruzione dell'alimentazione e l'ispezione. La rialimentazione è severamente vietata.

8. Conclusione

Gli 11kVtrasformatore in olioè la pietra angolare delle reti di distribuzione. I principianti possono comprendere la logica di funzionamento delle apparecchiature padroneggiando i principi dell'induzione elettromagnetica e le funzioni dei componenti. Gli ingegneri elettrici devono padroneggiare a fondo i parametri, le caratteristiche di perdita, la logica di protezione e le specifiche di manutenzione per completare la selezione del progetto, la messa in servizio in loco e la gestione dei guasti. Sebbene continuino a emergere nuove apparecchiature per la distribuzione di energia, i trasformatori immersi in olio da 11 kV mantengono ancora una forte domanda di mercato nei settori della distribuzione di energia globale grazie a processi di produzione maturi, prestazioni affidabili e vantaggi economici.