Applicabile a: Trasformatori di distribuzione-immersi in olio da 11 kV(Din11,Xintailongserie); rilevante per la selezione del modello, i test di accettazione in fabbrica (FAT) e l'accettazione in-sede per i progetti africani; riferimenti IEC 60076-1 e GB/T 1094.1.
Concetti fondamentali
Nessuna-perdita di carico P₀ (perdita di ferro):Perdita del nucleo che si verifica quando la tensione nominale viene applicata al lato primario mentre il lato secondario è a circuito aperto-.
Perdita di carico Pₖ (perdita di rame):Perdite nell'avvolgimento causate dalla generazione di calore dalla resistenza dell'avvolgimento quando la corrente nominale scorre attraverso gli avvolgimenti primari e secondari. Perdita totale del trasformatore=Nessuna- perdita di carico + Perdita di carico. Rendimento η=Potenza in uscita ÷ (Potenza in uscita + P₀ + Pₖ).
I. Nessuna-perdita di carico P₀ (perdita di ferro)
Meccanismo di generazione
Quando la tensione nominale viene applicata al trasformatore,-indipendentemente dalla presenza o meno di un carico,-la magnetizzazione alternata del nucleo di ferro genera perdite per isteresi e correnti parassite.
Finché il trasformatore è sotto tensione, la perdita di ferro persiste, indipendentemente dall'entità del carico.
Caratteristiche chiave
1. P₀ rimane sostanzialmente costante a livelli di carico dello 0%, 20%, 75% e 100%; se il trasformatore rimane alimentato senza-carico per periodi prolungati, la perdita di ferro continua a consumare energia.
2. Dipende da:Materiale in lamiera di acciaio al silicio, densità del flusso magnetico del nucleo e processo di laminazione del nucleo.
3. Test di fabbrica:Nessun-test di carico; misurato applicando la tensione nominale al lato primario con il lato secondario aperto-in circuito.
4. Significato per gli scenari africani:Molti trasformatori di distribuzione funzionano con carichi leggeri o quasi senza-carico durante la notte; P₀ determina direttamente il consumo energetico annuale di riferimento. La selezione di modelli con P₀ basso è adatta per condizioni operative a lungo termine-energizzata e con carico leggero-.
Esempio:Trasformatore-immerso in olio da 11 kV 500 kVA, P₀ ≈ 850 W; se alimentato tutto l'anno-, anche senza carico, perdita di energia annuale ≈ 0,85 kW × 8.760 h=7,446 kWh.
II. Perdita di carico Pₖ (perdita di rame)
Meccanismo di generazione
La perdita di calore (I²R) viene generata quando la corrente scorre attraverso la resistenza dei conduttori dell'avvolgimento; nella perdita di carico sono incluse anche le ulteriori perdite per correnti parassite. La perdita di carico è direttamente proporzionale al quadrato della corrente di carico.
Caratteristiche chiave
1. Nessun-carico (carico zero): Pₖ ≈ 0;
2. 50% carico: Perdita di carico=Pₖₙ × (0,5)²=0.25 × perdita di carico nominale;
3. 100% di carico nominale: raggiunge la perdita di carico nominale indicata sulla targa Pₖₙ.
4. Test di fabbrica:Prova di cortocircuito-; misurato corto-circuitando l'avvolgimento secondario e applicando la corrente nominale all'avvolgimento primario; i risultati vengono regolati a una temperatura di riferimento di 75 gradi.
5. Contesto africano:Fluttuazioni significative del carico si verificano nelle reti rurali e nelle aree minerarie; la perdita di rame aumenta notevolmente durante i periodi di picco di carico-pesante, ma è minima durante i periodi di carico-leggero.
Esempio:Per un trasformatore da 500 kVA, la perdita di carico nominale Pₖ a 75 gradi è di circa 6000 W; raggiunge i 6 kW solo durante il funzionamento a pieno-carico, mentre a metà-carico è solo 1,5 kW.
III. Tabella comparativa
| Articolo | Nessuna-perdita di carico P₀ (perdita di ferro) | Perdita di carico Pₖ (perdita di rame) |
|---|---|---|
| Fonte | Isteresi del nucleo e correnti parassite | Resistenza dell'avvolgimento I²R + perdite parassite |
| Dipendenza dal carico | Quasi costante; presente ogni volta che viene energizzato | ∝ quadrato della corrente di carico; aumenta con il carico |
| Metodo di prova | Nessun-test di carico (secondario aperto-circuitato) | Test di cortocircuito-(secondario in cortocircuito) |
| Riferimento di temperatura | Nessuna correzione della temperatura | Deve essere corretto a 75 gradi |
| Fattori influenzanti | Grado di acciaio al silicio, design del nucleo | Sezione trasversale del conduttore-, resistenza CC dell'avvolgimento |
| Scenario dominante | A lungo termine-carico leggero, durante la notte senza-carico | Picco di carico pesante, funzionamento a pieno-carico |
IV. Efficienza del trasformatore e fattore di carico ottimale
: Fattore di carico (capacità effettiva/capacità nominale); cosφ: fattore di potenza del carico (tipicamente assunto pari a 0,8 per i trasformatori di distribuzione).
Condizione per il massimo rendimento: perdite variabili=perdite costanti, cioè ² · Pₖ=P₀.
Fattore di carico economico ottimale:
Per i tipici trasformatori di distribuzione da 11 kV, la perdita di carico in assenza di- (P₀) è significativamente inferiore alla perdita di carico (Pₖ) e il fattore di carico ottimale varia generalmente dal 30% al 50%.
Funzionamento a lungo-termine ben al di sotto del fattore di carico ottimale: prevale la perdita di ferro e l'efficienza si deteriora.
Sovraccarico a lungo-termine:La perdita di rame aumenta bruscamente, causando un forte riscaldamento, una riduzione dell’efficienza e un invecchiamento accelerato.
Problemi comuni nelle reti elettriche africane: i trasformatori in alcune aree di servizio funzionano con carichi leggeri (inferiori al 20%) per periodi prolungati, rendendo la perdita in assenza di carico la principale fonte di perdita di energia. Quando si scelgono i trasformatori, non concentrarsi esclusivamente sulla bassa perdita di carico; deve essere considerata anche la perdita di carico in assenza di-carico.
V. Punti chiave per la selezione e l'accettazione
1. Verifica obbligatoria del test di accettazione in fabbrica (FAT):I valori misurati per le perdite a vuoto e a carico non devono superare le tolleranze consentite rispetto ai valori garantiti contrattualmente (IEC 60076: perdita totale +10%; perdita individuale +15%).
2. Non guardare solo all’efficienza al punto nominale:I trasformatori di distribuzione africani spesso funzionano con carichi leggeri; concentrarsi sull'efficienza al 25% e al 50% di carico anziché al 100% a pieno carico.
3. Le lamiere di acciaio al silicio di alta-gradazione determinano un P₀ inferiore; sebbene i costi di approvvigionamento siano leggermente più alti, si ottengono risparmi significativi sui costi dell'elettricità durante il funzionamento a lungo-termine. Questo è adatto per le reti rurali che richiedono un'energizzazione 24 ore su 24.
4. Una perdita di carico eccessiva indica un'elevata resistenza dell'avvolgimento, che porta ad un eccessivo aumento della temperatura sotto carichi pesanti; tali trasformatori sono più soggetti a surriscaldamento e danni durante i fulmini o gli eventi di cortocircuito-.
5. La resistenza CC anomala dell'avvolgimento in fabbrica si rifletterà direttamente nei risultati del test sulla perdita di carico.
VI. Idee sbagliate comuni
1. Minore è la perdita di carico, meglio è.
Per ridurre eccessivamente Pₖ è necessario aumentare la sezione trasversale-del conduttore dell'avvolgimento, aumentare i costi e potenzialmente aumentare P₀; di conseguenza, le perdite totali possono effettivamente essere più elevate per i trasformatori che funzionano con carichi leggeri.
2. Un'elevata efficienza a pieno-carico definisce un buon trasformatore.
Molti trasformatori in Africa funzionano raramente a pieno carico; l'efficienza nell'intervallo di carico compreso tra il 25% e il 50% ha una maggiore importanza ingegneristica pratica.
3. Nessuna-perdita di carico si verifica solo quando il trasformatore è spento.
Al contrario:finché un trasformatore è sotto tensione subisce perdite nel ferro indipendentemente dal fatto che stia trasportando un carico; queste perdite cessano solo quando viene interrotta l'alimentazione.
