Introduzione
Nelle reti di distribuzione urbane e rurali, nei parchi industriali, nelle centrali fotovoltaiche e in altri scenari di sistemi energetici,Trasformatori immersi in olio da 11kVfungono da apparecchiature principali per la trasmissione di potenza e la conversione del livello di tensione. Molti acquirenti, ingegneri elettrici e appaltatori generali di progetto si concentrano solo su parametri quali capacità nominale e perdita di carico durante la selezione del trasformatore, mentre mancano di una comprensione sistematica dell'intero processo di trasformazione della tensione all'interno del trasformatore. Comprendere il principio di trasformazione della tensione dei trasformatori in olio da 11 kV non solo supporta la selezione delle apparecchiature e la previsione dei guasti, ma aiuta anche il personale operativo e di manutenzione a organizzare in modo ragionevole le ispezioni di routine e a ridurre i rischi di fermo delle apparecchiature. Partendo dalla teoria elettromagnetica di base, questo articolo analizza completamente l'intero processo di conversione della tensione dei trasformatori immersi in olio da 11 kV, distingue le caratteristiche di variazione della tensione negli stati di funzionamento a vuoto e sotto carico e spiega come la struttura immersa nell'olio garantisce una trasformazione della tensione stabile e sicura.
1. Principio fondamentale della trasformazione della tensione: legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica
La trasformazione della tensione di tutti i trasformatori di potenza immersi in olio si basa sulla legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica e sul principio di equilibrio della forza magnetomotrice. Un trasformatore è un dispositivo elettromagnetico statico senza componenti rotanti. Trasferisce l'energia elettrica dal lato primario al lato secondario attraverso campi magnetici alternati. L'energia elettrica non viene trasmessa direttamente attraverso conduttori ma accoppiata tramite campi magnetici.
L'avvolgimento primario di un 11kVtrasformatore d'olioè collegato a un alimentatore ad alta tensione CA da 11 kV. La corrente alternata che scorre attraverso l'avvolgimento primario genera un flusso magnetico alternato all'interno del nucleo di ferro impilato da fogli di acciaio al silicio. Il nucleo di ferro adotta acciaio al silicio laminato a freddo con elevata permeabilità magnetica per confinare il flusso magnetico nella massima misura e ridurre la perdita di energia causata dalla dispersione magnetica. Il flusso magnetico alternato attraversa contemporaneamente sia l'avvolgimento primario che quello secondario. Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, il campo magnetico alternato induce forza elettromotrice rispettivamente nei due avvolgimenti.
La forza elettromotrice indotta di un avvolgimento è proporzionale al numero di spire dell'avvolgimento e alla velocità di variazione del flusso magnetico. La formula è espressa come E=4.44fN*Φ. Dove E sta per forza elettromotrice indotta, f è la frequenza di rete, N rappresenta il numero di spire dell'avvolgimento e Φ è il flusso magnetico principale. Questa formula determina direttamente la relazione di trasformazione della tensione: il rapporto tra la forza elettromotrice indotta sul lato primario e quello secondario è uguale al rapporto di torsione dei due avvolgimenti. In breve, il lato con più spire dell'avvolgimento ha una tensione indotta maggiore, mentre il lato con meno spire ha una tensione inferiore. Questa è la logica fondamentale per i trasformatori per aumentare o diminuire la tensione.
Per i trasformatori immersi in olio di distribuzione standard da 11 kV, la tensione nominale del lato primario è 11 kV e il lato secondario solitamente emette potenza a bassa tensione di 0,4 kV per fabbriche ed edifici residenziali. L'avvolgimento primario ha molte più spire dell'avvolgimento secondario, quindi funziona come un trasformatore step-down. Per le applicazioni step-up, la tensione può essere aumentata in modo inverso regolando il rapporto di torsione degli avvolgimenti.
2. Processo di trasformazione della tensione in condizioni di assenza di carico
La condizione di assenza di carico significa che il lato secondario del trasformatore non è collegato ad alcun carico e il circuito secondario è aperto, quindi non scorre corrente sul lato secondario. Quando all'avvolgimento primario è collegata un'alta tensione di 11 kV, sul lato primario viene generata una piccola corrente di eccitazione a vuoto. La funzione di questa corrente è quella di stabilire il flusso magnetico principale del nucleo di ferro. In questo momento, la tensione di ingresso sul lato primario è sostanzialmente bilanciata con la forza elettromotrice indotta dall'avvolgimento primario. Sotto l'azione del flusso magnetico alternato, l'avvolgimento secondario induce la corrispondente tensione nominale.
In condizioni di assenza di carico, il rapporto di tensione del trasformatore è approssimativamente uguale al rapporto di avvolgimento. Tuttavia, durante il funzionamento a vuoto esistono due fenomeni non trascurabili: la perdita a vuoto e la deviazione della tensione a vuoto. Le perdite per isteresi e per correnti parassite del nucleo di ferro formano una perdita a vuoto, che viene completamente convertita in calore e trasportata dall'olio isolante all'interno del trasformatore. Nel frattempo, la corrente di eccitazione causerà una piccola caduta di tensione. Pertanto, la tensione secondaria a vuoto è leggermente superiore alla tensione di uscita nominale per compensare la caduta di tensione generata nel successivo funzionamento a carico. Il commutatore da 11kVtrasformatore immerso in olioviene utilizzato per regolare le spire effettive dell'avvolgimento primario in condizioni di assenza di carico, ottimizzare la tensione di uscita e compensare la fluttuazione della tensione di ingresso della rete elettrica.
3. Processo di trasformazione della tensione in condizioni di carico
Quando il lato secondario è collegato a carichi elettrici, il circuito dell'avvolgimento secondario viene condotto e la corrente di carico viene prodotta sul lato secondario. La corrente secondaria genera una forza magnetomotrice inversa, che tende ad indebolire il flusso magnetico principale del nucleo di ferro. Per mantenere il flusso magnetico principale pressoché costante e garantire la stabilità della tensione, l'avvolgimento primario aumenterà automaticamente la corrente di ingresso e genererà nuova forza magnetomotrice per contrastare la forza magnetomotrice sul lato secondario e mantenere l'equilibrio della forza magnetomotrice. Questo è il meccanismo interno per cui la corrente di ingresso del lato primario del trasformatore aumenta in modo sincrono quando il carico aumenta.
Durante il funzionamento sotto carico, l'avvolgimento stesso presenta resistenza e reattanza di dispersione. La corrente che scorre attraverso l'avvolgimento crea una caduta di tensione. Di conseguenza, la tensione di uscita del lato secondario cambia con l'entità del carico e il fattore di potenza del carico. Più pesante è il carico, più evidente è la caduta di tensione secondaria. I carichi induttivi aggraveranno la caduta di tensione, mentre i carichi capacitivi potrebbero aumentare la tensione. Questo è il motivo per cui è necessario calcolare la velocità di regolazione della tensione nella progettazione della distribuzione di energia.
L'olio isolante all'interno del trasformatore immerso in olio da 11 kV svolge un duplice compito nell'intero processo di trasformazione della tensione. Innanzitutto, funge da mezzo isolante per isolare gli avvolgimenti ad alta e bassa tensione e prevenire guasti e cortocircuiti tra componenti con potenziali diversi. In secondo luogo, funge da mezzo di raffreddamento per eliminare il calore generato dalla perdita elettromagnetica del nucleo e degli avvolgimenti di ferro. La dissipazione del calore continua e stabile può evitare l'invecchiamento dell'isolamento dell'avvolgimento e garantire che non si verifichino guasti all'isolamento durante la trasformazione della tensione a lungo termine. Il serbatoio dell'olio, i radiatori e il conservatore formano insieme il sistema di raffreddamento per mantenere la temperatura dell'olio entro un intervallo di sicurezza e garantire una conversione elettromagnetica continua e affidabile.
4. Fattori chiave che influenzano la qualità della trasformazione della tensione dei trasformatori da 11 kV
Materiale del nucleo in ferro: le lamiere in acciaio al silicio a basse perdite riducono la corrente di eccitazione, mitigano la distorsione del flusso magnetico e stabilizzano la forza elettromotrice indotta. Un nucleo di ferro inferiore aumenterà la corrente a vuoto, distorcerà la forma d'onda della tensione e aumenterà le armoniche.
Tecnologia dell'avvolgimento: la compattezza dell'avvolgimento e il grado di isolamento determinano direttamente la reattanza di dispersione dell'avvolgimento e influiscono sulla velocità di regolazione della tensione. L'isolamento danneggiato dell'avvolgimento attiverà un cortocircuito tra le spire e distruggerà completamente la trasformazione della tensione.
Fluttuazione dell'ingresso nella rete: la tensione in ingresso di 11 kV non è costante. Le variazioni del carico di picco e di valle della rete elettrica portano a una tensione di ingresso fluttuante. Il commutatore può regolare i giri di avvolgimento per stabilizzare l'uscita secondaria.
Caratteristiche del carico: l'entità del carico e il fattore di potenza determinano l'ampiezza della caduta di tensione, che è un indicatore essenziale per la progettazione dello schema di distribuzione dell'energia.
5. Fenomeni anomali comuni della trasformazione di tensione e breve analisi
Negli scenari pratici di funzionamento e manutenzione, la trasformazione anomala della tensione presenta vari sintomi. Ad esempio, una bassa tensione secondaria è comunemente causata da una bassa tensione in ingresso, da un carico eccessivo o da uno scarso contatto dei connettori degli avvolgimenti. La forma d'onda della tensione distorta è molto probabilmente indotta dalla saturazione del nucleo di ferro e da carichi armonici eccessivi. Se si verificano scariche parziali e bruschi aumenti della temperatura dell'olio, l'olio isolante potrebbe deteriorarsi e l'isolamento degli avvolgimenti di alta e bassa tensione potrebbe essere danneggiato, comportando rischi di guasto in qualsiasi momento.
Il personale operativo e di manutenzione deve misurare regolarmente la tensione primaria e secondaria, la cromatografia dell'olio e la resistenza CC dell'avvolgimento per monitorare lo stato di trasformazione della tensione. Una volta rilevata la deviazione della tensione dal valore nominale, i problemi devono essere eliminati tempestivamente per prevenire guasti alle apparecchiature e incidenti dovuti a interruzioni di corrente.
Conclusione
11kV trasformatori immersi in oliorealizzare la trasformazione della tensione statica basandosi sull'accoppiamento del campo magnetico alternato e il rapporto di rotazione determina il rapporto di tensione teorico. Le caratteristiche di trasformazione della tensione differiscono significativamente in condizioni di lavoro a vuoto e sotto carico. Il sistema di olio isolante fornisce protezione isolante e supporto per la dissipazione del calore per l'intero processo di conversione elettromagnetica. Comprendere appieno l'intero processo di trasformazione della tensione aiuta gli ingegneri a valutare ragionevolmente le prestazioni delle apparecchiature ed evitare i rischi di alimentazione causati da tensioni anomale, sia per l'approvvigionamento di trasformatori, la progettazione della rete elettrica o la manutenzione in loco. Nei progetti di connessione alla rete fotovoltaica, distribuzione elettrica in fabbrica e rinnovamento della rete di distribuzione urbana, padroneggiare questo principio può abbinare meglio la capacità del trasformatore e gli schemi del livello di tensione e garantire il funzionamento stabile dei sistemi di alimentazione.
