Рекомендации по выбору силового трансформатора
Опубликовано: 05.09.2018
Как рассчитать трансформатор? (Расчёт и перемотка трансформатора #3)
Выбирая трансформатор, следует оценивать различные факторы, что позволит удовлетворить потребностям, как нагрузки, так и применения. Время, потраченное на выбор трансформатора, похоже, имеет прямую пропорциональную зависимость от размеров устройства. Очень часто для выбора небольшого трансформатора достаточно одного взгляда на подключенную нагрузку. При этом, принимаемое решение, как правило, заключается в выборе трансформатора для следующей градации мощностей, независимо от предполагаемой нагрузки. Но для больших трансформаторов, например, применяемых в организациях электроснабжения, оценки проводятся более внимательно, поскольку такие трансформаторы представляют собой крупные инвестиции.
Устройство и принцип работы APC Back-UPS RS800
Большинство трансформаторов, применяемых в коммерческих и промышленных условиях, оказываются между двумя этими крайностями. Обычно они относятся к диапазону от 250 до 1000 кВА. В более крупных проектах могут использоваться трансформаторы до 10 МВА. Так как перечисленные трансформаторы составляют основное большинство, необходимо проводить их тщательную оценку перед тем, как выбирать устройство для конкретного проекта и/или применения.
Процесс выбора
При выборе трансформатора необходимо убедиться в следующем:
– Что он обладает достаточной мощностью, позволяющей ему справиться с ожидаемыми нагрузками (и с определенным объемом перегрузок); – Что была рассмотрена возможность увеличения мощности для обслуживания потенциальных увеличений нагрузки; и – Что объем средств, выделенных для приобретения трансформатора, основан на прогнозе определенного времени эксплуатации (с учетом оптимальности решения, связанного с начальными, операционными, и установочными затратами).Как производительность трансформатора, так и величина затрат, связаны с рядом факторов, которые следует оценить. К таким факторам относятся:
- Применение устройства;
– Выбор типа изоляции (с жидким диэлектриком, или сухого типа); – Выбор материала обмотки (медь или алюминий); – Возможное использование материала для магнитопровода, обладающего низкими потерями; – Регулируемость (стабильность напряжения); – Срок эксплуатации; – Любые требования к перегрузкам; – Базовый уровень прочности изоляции (BIL); – Температурные вопросы; – Потери (как потери холостого режима, так и операционные потери); – Любые нелинейные нагрузки; – Экранирование; и – Принадлежности.Применение устройства
Двумя ключевыми аспектами, которые необходимо четко понимать, являются тип нагрузки и место размещения трансформатора. Например, если трансформатор будет использоваться для тяжелых сварочных работ, таких, какие имеют место на автомобилестроительном заводе, следует обратиться к очень прочной конструкции, поскольку обмотка будет испытывать частные нагрузки типа короткого замыкания. Также могут потребоваться хорошие возможности обеспечения кратковременной перегрузки.
Для определения размеров трансформатора для конкретного приложения с учетом времени эксплуатации устройства, необходимо хорошее понимание характеристик изоляции, и температуры обмотки в связи с нагрузками. Для этого, в свою очередь, требуется тщательный анализ профиля нагрузки (показывающего величину, продолжительность, и протяженность линейных и нелинейных нагрузок). К стандартным параметрам трансформаторов, работающих в нормальных условиях, относятся: – Номинальные значения входного напряжения и частоты; – Близость входного напряжения к синусоидальному; – Ток нагрузки с коэффициентом гармонических искажений не выше 0.05 относительных единиц; – Установка на высоте менее 1000 м; – Отсутствие наносящих вред загазованности, пыли, испарений, и т.п. в месте установки; – Температура окружающей среды, в среднем, не превышающая днем 30°С, или 40°С в среднем в течение суток, и которая не падает ниже 20°С; и – Нагрузки в приемлемых пределах, задаваемых нормативными руководствами (для трансформаторов с сухим и жидким диэлектриком).Если некоторые из указанных выше условий не могут быть удовлетворены для конкретного применения, то следует обратиться к производителю, с тем, чтобы выбранные операционные характеристики трансформатора и/или его размеры, могли стать компенсацией в конкретной ситуации. Например, если температура окружающей среды превышает стандартные условия, или же трансформатор должен быть установлен на большой высоте, то правильным решением могла бы стать спецификация трансформатора с более высокими показателями, чем требует нагрузка. Это позволит использовать его для компенсации местных условий.
Выбор между трансформатором сухого типа и трансформатором с жидким диэлектриком
Системы изоляции с жидким диэлектриком
Литые системы изоляции обмотки
Выбор материала для обмотки
Обмотки трансформаторов могут наматываться с использованием либо медных, либо алюминиевых проводников. При равных электрических и механических характеристиках, стоимость трансформаторов с алюминиевой намоткой обычно ниже, чем с медной намоткой. Но поскольку медь является лучшим проводником, то, при равных электрических характеристиках, трансформаторы с обмотками из медного провода могут оказаться физически меньше трансформаторов с алюминиевым проводом, так как медная обмотка будет меньше по размерам. Тем не менее, большинство производителей поставляют алюминиевые и медные трансформаторы в корпусах одинакового размера.
Как правило, трансформаторы с обмотками из алюминиевого провода используются намного чаще. Для обоих материалов процессы намотки и применения изоляции совпадают. Соединение с концевыми контактами делается либо сварными, либо при помощи пайки. Обмотки, сделанные из медного провода, имеют несколько более высокую механическую прочность. Следует выяснить, каким опытом обладает производитель трансформаторов в изготовлении своих продуктов, и имеет ли эта фирма положительные характеристики в использовании обоих типов проводников. Особенно это требуется для производителей трансформаторов сухого типа.Материалы для магнитопроводов
Защита от внешних условий
В случае неблагоприятных условий окружающей среды (как внутри помещений, так и на улице) важно, чтобы были адекватно защищены магнитопровод, обмотки, выводы и принадлежности трансформатора.
Почти все трансформаторы с жидким диэлектриком имеют герметичную конструкцию, что автоматически обеспечивает защиту их внутренних компонентов. Внешние соединения могут быть оборудованы коннекторами с "обратным доступом", защищающими контакты. Для условий высокой коррозии, можно применять корпуса из нержавеющей стали. Трансформаторы сухого типа используются как внутри помещений, так и вне них. Вентиляционные каналы позволяют рассеивать тепло в воздухе. В помещениях, трансформаторы сухого типа могут работать почти в любых условиях, встречающихся в коммерческих зданиях и небольших производственных помещениях. Для работы вне помещения, корпус трансформатора сухого типа обычно снабжается вентиляционными решетками. Но такие трансформаторы могут подвергаться воздействию окружающей среды (грязь, влажность, коррозийные испарения, проводящая пыль, и т.п.), так как обмотки открыты для доступа воздуха. Однако возможно производство трансформаторов сухого типа в герметичном корпусе, для обеспечения защиты от агрессивной окружающей среды. Они работают в собственной атмосфере невоспламеняемого диэлектрического газа. Другие подходы к созданию трансформаторов сухого типа для неблагоприятных внешних условий, включают в себя использование литых обмоток, литьевой смолы, и вакуумной герметизации (VPE), иногда, с использование кремнийорганического лака. Если трансформатор сухого типа не полностью герметизирован, то его магнитопровод, обмотки, и контакты должны периодически очищаться, даже в случае неагрессивной среды, для предотвращения скапливания со временем пыли, и других загрязнений.Изоляторы
Обычно, трансформаторы сухого типа используют изоляторы, изготовленные из стекловолокна, упрочненного формовочной массой из полиэфира. Такие изоляторы доступны до класса 15 кВ, и предназначены для эксплуатации в помещениях или в внутри кожуха, защищенного от влаги. Трансформаторы с жидким диэлектриком используют изоляторы, изготовленные из фарфора. Они применяются для напряжения, превышающего 500 кВ. Фарфоровые изоляторы устойчивы к истиранию, пригодны для использования вне помещений, и легко очищаются.
Высоковольтные фарфоровые изоляторы содержат изоляцию из пропитанной маслом бумаги, которая действует в качестве емкостного делителя напряжения, предоставляющего равномерные градиенты напряжения. Для контроля состояния этих изоляторов необходимо регулярно проводить их испытания.Стабилизация
Разница между напряжением вторичной обмотки при отсутствии нагрузки и при полной нагрузке, является мерой стабилизации трансформатора. Она может быть определена с использованием следующего соотношения:
Стабилизация (%) = (100)([V.бн] – [V.пн]) / ([V.пн]),
где [V.бн] – напряжение при отсутствии нагрузки, [V.пн] – напряжение пори полной нагрузке.Недостаточная стабилизация означает, что при возрастании нагрузки напряжение на контактах вторичной обмотки заметно снижается. Это падение напряжения связано с сопротивлением обмотки и реактивным сопротивлением утечки между витками обмотки. Однако и хороший показатель стабилизации приводит к ряду проблем.
Стабилизация напряжения и эффективность работы трансформатора улучшаются со снижением импеданса, но при этом увеличивается и опасность серьезного повреждения. Иногда производители, для того чтобы обеспечить требование хорошей стабилизации, разрабатывают трансформаторы, реактивное сопротивление в которых не превышает 2%. Такой трансформатор может быть серьезно поврежден, если произойдет короткое замыкание на вторичной обмотке трансформатора, особенно при высоком напряжении в системе (жесткий источник с низким импедансом). Механические напряжения в трансформаторе колеблются, приблизительно пропорционально квадрату тока. В трансформаторе с импедансом 2%, механические напряжения могут быть в шесть раз выше, чем в трансформаторе с импедансом 5% (где реактивное сопротивление является основным компонентом импеданса падения напряжения). Конечно, хорошая схема защиты электрической цепи может ослабить эту проблему. Целостность в результате короткого замыкания будет гарантированной, если в спецификациях трансформатора указано, что он соответствует требованиями Руководства ANSI/IEEE по проведению испытания на короткие замыкания.Ответвления напряжения
Даже при наличии хорошей стабилизации, вторичное напряжение трансформатора может изменяться, если изменяется входное напряжение. Трансформаторы, подключенные к энергосистеме общего пользования, зависят от напряжения этой системы. Когда изменяется работа системы, или подключаются новые нагрузки к ее линиям, входное напряжение на трансформаторе может упасть, или наоборот, возрасти.
Для компенсации таких изменений напряжения, трансформаторы часто снабжаются системами регулирования под нагрузкой (РПН), и иногда – системами переключения ответвлений без возбуждения (ПБВ). (РПН работают с подключенной нагрузкой, в то время как для работы ПБВ нагрузка должна быть отключена.) Эти устройства состоят из ответвлений или контактов, подключенных либо к первичной, либо к вторичной обмотке в различных местах для того. Их использование дает возможность обеспечить постоянное напряжение на вторичной обмотке под нагрузкой при изменяющихся условиях. Переключатели ответвлений, подключенные к первичным обмоткам, изменяют соединения от входной линии к различным выводам, ведущим к обмоткам. Когда переключатели ответвлений подключаются к вторичным обмоткам, то изменение соединения осуществляется от обмоток в выходным проводникам. Переключатели ответвлений могут быть либо ручными, либо автоматическими. Трансформаторы с переключателями ответвлений, обычно имеют индикаторы позиции ответвления, что позволяет знать, какое ответвление в данный момент используется.Срок эксплуатации трансформаторов
Обычно считается, что срок эксплуатации трансформатора совпадает со временем жизни его системы изоляции. А время жизни изоляции связано с температурой, воздействию которой она подвергается. Следует понимать, что температура витков обмоток не одинакова по всей их длине. Существуют так называемые горячие точки, температура которых не поднимается выше 30°С над средней температурой обмоток в трансформаторах сухого типа. Температура горячих точке является суммой максимальной температуры среды, среднего роста температуры витков (здесь под витками понимается проводник), и градиента температуры обмотки (градиентом является разность между средним ростом температуры витков и самой высокой температурой витков).
Указанный на табличке трансформатора класс в кВА, представляет величину кВА нагрузки, которая вызовет допустимый рост температуры, когда устройство работает в нормальных условиях эксплуатации. Эксплуатируя трансформатор в таких условиях (включая и допустимую температуру горячих точек с корректным классом изоляционных материалов), можно достичь "нормальную" продолжительность его эксплуатации. Информация о нагрузках трансформаторов сухого типа, указанная в ANSI/IEEE C57.96-1989 показывает, что можно ожидать 20-летнего времени эксплуатации изолирующей системы трансформатора. Однако из-за разрушения изоляции, трансформатор может выйти из строя до исчерпания 20 лет. Для трансформаторов сухого типа, имеющих допустимую температуру системы изоляции 220°С и температуру горячих точек обмотки 220°С, работающих в обычных условиях, разумно ожидать, что время эксплуатации составит 20 лет. А температура 220°С соответствует трансформатору, эксплуатируемому при максимальной температуре окружающей среды в 40°С (104°F), имеющему средний рост температуры на проводниках обмотки в 150°С, и градиент температуры 30°С.) Большинство трансформаторов сухого типа с ростом температуры в 150°С, снабжаются системой изоляции, рассчитанной на 220°С. Использование такого трансформатора с напряжениями, соответствующими его классу при средней температуре окружающей среды, равной 30°С, приравнивается к "нормальному" полезному периоду эксплуатации. (Замечание: Максимальная температура окружающей среды в 40°С в течение любого 24-часового интервала со средней температурой в этом интервале, равной 30°С, считается стандартной температурой окружающей среды.) Если основываться только на температурных факторах, то продолжительность эксплуатации трансформатора заметно возрастает, если рабочая температура ниже, чем максимальная температура, на которую рассчитана изоляция. Однак°Следует понимать, что невозможно дать точную оценку продолжительности эксплуатации трансформатора, работающего в условиях переменной температуры. Изменения условий нагрузки и изменение средней температуры среды делают получение такой однозначной оценки сложной, или вообще не решаемой задачей.Перегрузки
Для эффективного функционирования электрической системы, трансформаторы иногда подвергаются перегрузкам, чтобы соответствовать условиям работы. Следовательно, важно достичь с производителем трансформатора понимания того, какие перегрузки должно выдерживать устройство, не вызывая при этом проблем.
Основной проблемой перегрузок является выделение тепла. Если трансформатор перегружается на определенную величину, скажем на 20% выше его класса мощности в течение некоторого периода времени, то в зависимости от этого периода, возможно, что тепло, создаваемое обмотками, будет легко выводиться наружу через корпус трансформатора. В этом случае существуют вполне обоснованные шансы, что перегрузка не вызовет проблем. Однако если период времени становиться достаточно длительным, то тепло начнет накапливаться внутри трансформатора, и это может привести к серьезным проблемам. Эффективным способом удаления тепла является использование встроенных вентиляторов. В этом случае нагрузка может быть увеличена без увеличения класса мощности трансформатора. Трансформаторы сухого типа с охлаждающими вентиляторами, могут работать с перегрузками в 1.33 раза большими, чем трансформаторы с естественным, пассивным охлаждением. Некоторые конструкции трансформаторов могут выдерживать перегрузки в 1.4-1.5 раз выше, по сравнению с трансформаторами с пассивным охлаждением. При наличии таких требований, необходимо подготовить тщательно сформулированные спецификации. У трансформаторов с жидким диэлектриком, благодаря их удвоенным требованиям по теплопередачи (магнитопровод/обмотка – жидкость, и жидкость – воздух), использование вентиляторов дает меньший эффект. Небольшие устройства с вентиляторами могут работать с перегрузками в 1.15 раз выше, чем трансформаторы с пассивным охлаждением. Более крупные трансформаторы могут иметь аналогичный показатель, равный 1.25. Для трансформаторов класса выше 10 МВА, этот показатель может достигать 1.67. Следует различать два фактора при использовании принудительного охлаждения. Во-первых, этот подход используется для увеличения нагрузочной способности трансформатора. Однако при этом значительно увеличиваются и потери. Трансформатор сухого типа, работающий при мощности 133% от того, что дает естественное охлаждение, будет иметь потери в проводниках в 1.8 раза больше, чем потери при пассивном охлаждении. Кроме того, следует учитывать и потери энергии, расходуемой на работу двигателей вентиляторов. Нормальные же холостые потери остаются постоянными, независимо от нагрузки. Другой момент связан с тем, что при использовании дополнительного оборудования, такого, как вентиляторы, увеличиваются шансы того, что что-то откажет. В таблице 1 на стр. 50 показаны нагрузочные способности для трансформаторов с жидким диэлектриком с увеличением температуры на 65°С, основанные на нормальных потерях в течение эксплуатации. Эта информация взята из таблицы 5, приведенной в руководстве по нагрузкам трансформаторов, погруженных в минеральное масло, имеющим класс 500 кВА и ниже (ANSI/IEEE C57.91-1981). В таблице 2 на стр. 50 показаны нагрузочные способности трансформаторов сухого типа с системой изоляции, допускающей нагрев до 200°С, основанные на нормальных потерях в течение эксплуатации. Эта информация взята из таблицы 6, приведенной в руководстве на нагрузкам трансформаторов сухого типа (ANSI/IEEE C57.96-1989).Уровень изоляции
Уровень изоляции трансформатора основан на его основном импульсном уровне прочности (BIL). Изменения BIL для данного напряжения системы зависят от того, с каким объемом перенапряжений в системе, как ожидается, столкнется трансформатор на протяжении срока эксплуатации. Стандарты ANSI/IEEE, C57.12.00-1993 и C57.12.01-1989, указывают значения BIL, которые могут быть специфицированы для данного напряжения системы. Выбор трансформатора следует основывать на предварительной информации по аналогичным системам, или на основе исследования системы, выполняемого квалифицированной инженерной компанией. Можно также выбирать наибольший BIL, доступный для напряжения системы.
Если в рассматриваемой электрической системе присутствуют средства управления, основанные на полупроводниках, то к выбору BIL подходить нужно очень тщательно. Такие средства управления, выполняя отсечение тока, могут вызвать переходное напряжение.Температура трансформаторов и эксплуатация
Потери
Поскольку затраты на владение трансформатором включают в себя фиксированные и операционные затраты, и так как стоимость электрической энергии постоянно растет, то стоимость энергии, потерянной за определенный период времени связанной с потерями трансформатора, может превысить стоимость приобретения трансформатора. Поэтому очень важно тщательно оценивать потери трансформатора, как в холостом режиме, так и под нагрузкой.
Потери холостого режима состоят из гистерезиса и вихревых токов в магнитопроводе, потерях в первичной обмотке из-за тока при отсутствии нагрузки, и потерь диэлектрика. Наиболее важными являются потери в магнитопроводе. Потери нагрузки включают в себя потери, связанные с функционированием, в обмотках, потери тока, вызывающего потери, потери вихревых токов в проводниках из-за утечек поля, и потери в конструктивной стали трансформатора. Задание более высокой эффективности требует использования более крупных проводников для обмоток, чтобы снизить функциональные потери. Это увеличивает стоимость трансформатора, но экономия может оказаться значительной.K-фактор
Экранирование трансформаторов
Размещение трансформатора вблизи нагрузки
Размещение трансформатора внутри, на крыше, или вблизи строения для того чтобы уменьшить расстояние между устройством и основной нагрузкой, приводит к снижению потерь энергии и снижению напряжения. Также уменьшаются затраты на вторичный кабель.
С другой стороны, такое размещение высоковольтного оборудования требует повышенного взимания к вопросам электрической и пожарной безопасности. Эти конфликтующие цели могут быть удовлетворены за счет использования трансформаторов, удовлетворяющих законодательным актам и разрешенным к использованию страховыми компаниями. Когда выбираются трансформаторы с жидким диэлектриком, то для трансформаторов, устанавливаемых внутри зданий, или в непосредственной близости от них, принято использовать трудновоспламеняемые жидкости. Такие трансформаторы, использующие трудновоспламеняемые жидкости, или жидкости с высокой температурой возгорания, признаны Национальным Электрическим Кодексом США (NEC) с 1978 года для установки внутри зданий без специальной защиты, если только напряжение не превышает 35 кВ. Основываясь на том, что трансформаторы этого типа имеют хорошую противопожарную репутацию, страховые ограничения установлены минимальными. Традиционное минеральное масло не допускается для использования внутри зданий. Его разрешается использовать, только если трансформатор установлен в специальном внешнем корпусе, выдерживающим пожар в течение 3-х часов (за небольшими исключениями), согласно требованиями NEC, статья 450, часть С. Эти требования к жидкому содержимому трансформаторов с жидким диэлектриком не зависят от типа используемой жидкости. Когда для установки выбираются трансформаторы сухого типа, к ним применяется меньше ограничений. Очевидно, что этот тип трансформаторов не нуждается в жидком содержимом. Согласно требованиями, указанным в разделе NEC 450-21, имеются минимальные расстояния до стен, которые следует соблюдать, и кроме того, устройства класса свыше 112 кВА должны устанавливаться в отдельной комнате, защищенной от возгораний, если только они не относятся к одному или двум, перечисленным в кодексе исключениям. Как и в случае трансформаторов с жидким диэлектриком, трансформаторы сухого типа, превышающие 35 кВ, должны помещаться во внешний корпус, выдерживающих пожар в течение 3-х часов. Трансформаторы с жидким диэлектриком могут иметь протечки вокруг прокладок и фитингов. Однако если монтаж выполнялся правильно, то это не должно вызывать проблем. Основная процедура обслуживания может требовать инспекцию внутренних компонентов, означая, что охладитель нужно будет сливать. Обмотки у трансформаторов с жидким диэлектриком легче поддаются ремонту, чем обмотки у трансформаторов сухого типа. Литые обмотки не подлежат ремонту, и их следует заменять.Принадлежности
Принадлежности, обычно, поставляются за дополнительную оплату, и иногда они устанавливаются при сборке трансформатора. Следовательно, необходимо иметь определенное представление о принадлежностях, и включать в спецификацию трансформатора те принадлежности, которые, будучи установленными, будут способствовать работе трансформатора. Некоторыми из доступных принадлежностей являются:
– Корпус и бак из нержавеющей стали для дополнительной защиты от коррозии (только для трансформаторов с жидким диэлектриком); – Специальная краска/покрытие для коррозийной атмосферы, и ультрафиолетового света (только для трансформаторов с жидким диэлектриком); – Экраны защиты от погодных условий для устройств, монтируемых вне помещений, защитные средства для влажной окружающей среды, и защита от грызунов (только для трансформаторов сухого типа); – Мониторы температуры. Сюда входит ряд доступных опций, от простых термометров, до более дорогостоящих средств одно и трехфазного мониторинга, а также средства для контакта и активации сигналов тревоги и/или автоматических выключателей, а также для запуска охлаждающих вентиляторов; – Прогреватели для предотвращения накопления влаги во время длительных отключений (обычно вместе с термостатами); – Дополнительное место для открытия первичных и вторичных контактов; – Специальные втулки для соединения первичных контактов с фидерами под прямым углом; – Выключатели нагрузки, установленные в самом трансформаторе или в шкафчике поблизости; – Оборудование управления ответвлением (обычно, это устройство без нагрузки (РПН), способное изменить выходной напряжение примерно на 5%); . – Устройства защиты внутренних электрических цепей, разрывающие первичную линию при наличии коротких замыканий или сильной перегрузки; – Оборудование для калибровки уровня жидкости, сливные клапаны, защитные решетки для радиаторов, устройства забора образцов жидкости, и предохранительные клапаны (только для трансформаторов с жидким диэлектриком); – Внутренние искровые разрядники; – Внутренние разрядники скачков напряжения для защиты от скачков линии или выключений; – Средства для измерения потенциалов и токов трансформатора; – Средства для установки вентиляторов впоследствии; – Запорные механизмы с ключами для координации открывания панелей корпуса с работой высоковольтных выключателей; – Средства для обнаружения отказов заземления; – Установка небольших управляющих трансформаторов для различных принадлежностей 120 / 240 В для трансформаторов среднего напряжения; и Сейсмические крепежи для устройств, устанавливаемых в местах, подвергающихся землетрясениям.