1. Introduzione
Per la selezione, la gara d'appalto e la valutazione operativa a lungo termine di 11kVtrasformatori di distribuzione immersi in olio, le perdite a vuoto e le perdite a carico sono due parametri tecnici primari. Determinano direttamente il consumo energetico del ciclo di vita del trasformatore, l'aumento della temperatura, la spesa elettrica e la classe di efficienza energetica. Molti ingegneri degli approvvigionamenti e personale addetto alla manutenzione della distribuzione tendono a confondere le origini fisiche, gli approcci di calcolo e i limiti standard di queste due categorie di perdite. Le perdite a vuoto sono perdite costanti generate continuamente una volta che il trasformatore è alimentato. Le perdite di carico sono perdite variabili che aumentano con il carico in uscita. Questo articolo spiega sistematicamente il meccanismo di generazione, le formule di calcolo e le procedure di prova per le perdite a vuoto e a carico dei trasformatori immersi in olio da 11 kV. Interpreta inoltre i valori limite, le condizioni di test e le tolleranze di accettazione secondo i principali standard IEC e GB, assistendo i professionisti dell'ingegneria nel calcolo del consumo energetico, nel confronto delle soluzioni e nell'accettazione delle apparecchiature.
2. Definizione e principio di perdita a vuoto (perdita principale)
La perdita a vuoto, nota anche come perdita del nucleo, si riferisce alla perdita di potenza attiva misurata quando la frequenza nominale e la tensione nominale vengono applicate su un avvolgimento mentre l'altro avvolgimento viene mantenuto in circuito aperto senza carico. Una volta che il trasformatore è collegato alla rete e magnetizzato, le perdite a vuoto consumano energia continuamente 24 ore al giorno, indipendentemente dalla corrente di carico.
La perdita a vuoto è costituita dalla perdita per isteresi e dalla perdita per correnti parassite. La tensione alternata magnetizza e smagnetizza periodicamente il nucleo di ferro. I domini magnetici all'interno delle lamiere di acciaio al silicio si ribaltano ripetutamente e creano calore di attrito, producendo perdite per isteresi. Il flusso magnetico alternato induce correnti circolanti all'interno dei lamierini di acciaio, generando perdite di correnti parassite. Moderno 11kVtrasformatori immersi in olioadotta ampiamente l'acciaio al silicio a grani orientati laminati a freddo (CRGO). Laminazioni più sottili e ricottura ottimizzata riducono la perdita specifica del nucleo. Piccole perdite di rame nell'avvolgimento di eccitazione durante le prove a vuoto sono trascurabili per i calcoli ingegneristici.
Formula ingegneristica per le perdite a vuoto:
La perdita a vuoto è costituita dalla perdita per isteresi e dalla perdita per correnti parassite. La tensione alternata magnetizza e smagnetizza periodicamente il nucleo di ferro. I domini magnetici all'interno delle lamiere di acciaio al silicio si ribaltano ripetutamente e creano calore di attrito, producendo perdite per isteresi. Il flusso magnetico alternato induce correnti circolanti all'interno dei lamierini di acciaio, generando perdite di correnti parassite. Moderno 11kVtrasformatori immersi in olioadotta ampiamente l'acciaio al silicio a grani orientati laminati a freddo (CRGO). Laminazioni più sottili e ricottura ottimizzata riducono la perdita specifica del nucleo. Piccole perdite di rame nell'avvolgimento di eccitazione durante le prove a vuoto sono trascurabili per i calcoli ingegneristici.
Formula ingegneristica per le perdite a vuoto:
- P0=K0×p0×Gcore
- P0: Perdita a vuoto in Watt
- K0: fattore di fabbricazione del nucleo (1,1~1,3, influenzato dai giunti di laminazione e dallo stress di lavorazione)
- p0: Perdita specifica a nucleo dell'acciaio al silicio (W/kg, valore di fabbrica del materiale)
- Gcore: Peso totale del nucleo in kg
3. Definizione e principio di perdita di carico (perdita di rame)
La perdita di carico, comunemente chiamata perdita di rame, è una perdita variabile generata quando la corrente scorre attraverso gli avvolgimenti del trasformatore. Nei test standard, l'avvolgimento di bassa tensione viene cortocircuitato mentre la corrente nominale viene iniettata nel lato di alta tensione; la perdita di potenza attiva viene misurata alla temperatura di riferimento di 75 gradi. La perdita di carico comprende principalmente la perdita di resistenza dell'avvolgimento \\(I^2R\\) e ulteriori perdite parassite. Ulteriori perdite comprendono perdite per correnti parassite nei conduttori e perdite di flusso vagante nei componenti strutturali metallici come serbatoi, morsetti e telai centrali.
La perdita di carico è proporzionale al quadrato della corrente di carico. A carico parziale, la perdita di carico diminuisce rapidamente. In condizioni di pieno carico o sovraccarico, la perdita di carico aumenta notevolmente e comporta un significativo aumento della temperatura.
4. Specifiche del test di perdita e interpretazione degli standard
Misurazione della perdita per 11kVtrasformatori immersi in oliosegue gli standard della serie IEC 60076 per progetti internazionali. I mercati nazionali adottano i valori minimi consentiti GB1094, GB/T6451 e GB20052 di efficienza energetica e i gradi di efficienza energetica per i trasformatori di potenza, obbligatori per i test di routine in fabbrica e l'accettazione del sito.
4.1 Condizioni di prova IEC 60076
Per la prova a vuoto: applicare la tensione nominale e la frequenza nominale, circuito aperto dell'avvolgimento secondario. Per il test di perdita di carico: avvolgimenti in cortocircuito, iniettare corrente nominale, convertire i risultati misurati alla temperatura di riferimento di 75 gradi. La norma IEC 60076-19 specifica le regole di valutazione dell'incertezza per la misurazione delle perdite per la verifica di fabbrica.
Valori limite di 4,2 GB e tolleranza di accettazione
GB/T6451 fornisce valori di riferimento in assenza di carico e di perdita di carico per 11 kVtrasformatori di distribuzione immersi in olioa diverse capacità nominali. GB20052 definisce i gradi di efficienza energetica di Classe 1, Classe 2 e Classe 3. Le serie S11, S13 e S22 mostrano progressivi miglioramenti in termini di efficienza. I modelli S22 a bassissime perdite adottano acciaio CRGO di alta qualità per una notevole riduzione delle perdite a vuoto.
Tolleranza di accettazione: la perdita a vuoto misurata non deve superare il +5% del valore standard; la perdita di carico misurata non deve superare il +10% del valore standard. I risultati dei test che superano queste tolleranze sono considerati non conformi.
4.1 Condizioni di prova IEC 60076
Per la prova a vuoto: applicare la tensione nominale e la frequenza nominale, circuito aperto dell'avvolgimento secondario. Per il test di perdita di carico: avvolgimenti in cortocircuito, iniettare corrente nominale, convertire i risultati misurati alla temperatura di riferimento di 75 gradi. La norma IEC 60076-19 specifica le regole di valutazione dell'incertezza per la misurazione delle perdite per la verifica di fabbrica.
Valori limite di 4,2 GB e tolleranza di accettazione
GB/T6451 fornisce valori di riferimento in assenza di carico e di perdita di carico per 11 kVtrasformatori di distribuzione immersi in olioa diverse capacità nominali. GB20052 definisce i gradi di efficienza energetica di Classe 1, Classe 2 e Classe 3. Le serie S11, S13 e S22 mostrano progressivi miglioramenti in termini di efficienza. I modelli S22 a bassissime perdite adottano acciaio CRGO di alta qualità per una notevole riduzione delle perdite a vuoto.
Tolleranza di accettazione: la perdita a vuoto misurata non deve superare il +5% del valore standard; la perdita di carico misurata non deve superare il +10% del valore standard. I risultati dei test che superano queste tolleranze sono considerati non conformi.
5. Parametri chiave che influiscono sui valori di perdita
La perdita a vuoto dipende principalmente dal materiale del nucleo, dalla densità del flusso magnetico e dalla lavorazione dell'impilamento. Una maggiore densità di flusso aumenta la perdita del nucleo. L'acciaio al silicio di qualità superiore riduce la perdita specifica. Le bave e lo stress meccanico durante il taglio e l'assemblaggio dell'anima aumentano il coefficiente di fabbricazione e aumentano le perdite a vuoto.
La perdita di carico è determinata dal materiale dell'avvolgimento, dalla sezione trasversale del conduttore e dal controllo del flusso disperso. Gli avvolgimenti in rame hanno una resistenza inferiore rispetto agli avvolgimenti in alluminio a parità di capacità. Una sezione trasversale del conduttore maggiore riduce la resistenza, ma aumenta il costo del materiale e le dimensioni complessive del trasformatore. Le perdite aggiuntive disperse sono elementi di controllo critici per i trasformatori da 11 kV più grandi. I progettisti applicano una schermatura magnetica e un layout di avvolgimento ottimizzato per sopprimere il flusso disperso.
La perdita di carico è determinata dal materiale dell'avvolgimento, dalla sezione trasversale del conduttore e dal controllo del flusso disperso. Gli avvolgimenti in rame hanno una resistenza inferiore rispetto agli avvolgimenti in alluminio a parità di capacità. Una sezione trasversale del conduttore maggiore riduce la resistenza, ma aumenta il costo del materiale e le dimensioni complessive del trasformatore. Le perdite aggiuntive disperse sono elementi di controllo critici per i trasformatori da 11 kV più grandi. I progettisti applicano una schermatura magnetica e un layout di avvolgimento ottimizzato per sopprimere il flusso disperso.
6. Applicazione pratica di ingegneria per i parametri di perdita
Durante la valutazione della gara per 11kVtrasformatori, gli acquirenti non dovrebbero limitarsi a confrontare il prezzo di acquisto anticipato, ma anche effettuare un'analisi del costo del ciclo di vita (LCC). Le perdite in assenza di carico persistono 24 ore su 24, il che è fondamentale per i siti costantemente energizzati con un carico medio basso. Le perdite di carico variano in base alle condizioni di carico e incidono notevolmente per le zone di distribuzione con carico diurno pesante e carico notturno leggero.
Il punto di carico economico si verifica quando la perdita a vuoto è uguale alla perdita di carico, ottenendo la massima efficienza del trasformatore. Sulla base dei parametri di perdita, gli ingegneri della manutenzione possono calcolare l'intervallo di carico operativo ottimale, coordinare la strategia di commutazione di più trasformatori di distribuzione in parallelo e ridurre lo spreco complessivo di energia della rete.
Il punto di carico economico si verifica quando la perdita a vuoto è uguale alla perdita di carico, ottenendo la massima efficienza del trasformatore. Sulla base dei parametri di perdita, gli ingegneri della manutenzione possono calcolare l'intervallo di carico operativo ottimale, coordinare la strategia di commutazione di più trasformatori di distribuzione in parallelo e ridurre lo spreco complessivo di energia della rete.
7. Conclusione
Le perdite a vuoto e le perdite di carico sono indicatori fondamentali per valutare l'efficienza energetica e le prestazioni di funzionamento economico di 11 kVtrasformatori immersi in olio. La perdita a vuoto è costante e regolata dal materiale principale e dal processo di produzione. La perdita di carico è variabile, proporzionale al quadrato della corrente di carico e determinata dalla resistenza dell'avvolgimento e dal flusso disperso. Le formule standard consentono una stima rapida del consumo energetico. IEC 60076 e GB20052 definiscono ambienti di test unificati, valori limite e tolleranze di accettazione. Nelle gare d'appalto, nella selezione delle apparecchiature e nella manutenzione della rete di distribuzione, la comprensione accurata di queste due categorie di perdite aiuta gli ingegneri energetici a controllare i costi dell'elettricità a lungo termine, a selezionare i gradi di efficienza energetica corrispondenti alle condizioni di lavoro e a ridurre al minimo le perdite operative della rete elettrica.
