Trasformatori trifase in olio serie S13: una guida alla selezione per trasformatori di distribuzione a basse perdite di prossima generazione

Nei sistemi di distribuzione a 10 kV, i trasformatori di distribuzione trifase in olio sono da tempo tra le tipologie di apparecchiature più utilizzate. Che si tratti di complessi residenziali urbani, aggiornamenti della rete rurale o fornitura di energia elettrica a siti industriali ed edifici commerciali, i trasformatori in olio da 10 kV svolgono un ruolo cruciale nella trasformazione della tensione e nella distribuzione dell'energia.

Poiché gli standard di efficienza energetica per le apparecchiature di distribuzione continuano ad aumentare, i trasformatori tradizionali delle serie S9 e S11, a causa delle perdite relativamente più elevate, non sono sempre più in grado di soddisfare i requisiti di risparmio energetico di determinati progetti. Al contrario, la serie S13 offre una migliore efficienza operativa e affidabilità delle apparecchiature attraverso strutture principali ottimizzate, applicazione avanzata di materiali e design completamente sigillati; di conseguenza, è diventato un modello preferito per la sostituzione e l'aggiornamento dei trasformatori di distribuzione da 10 kV.

Questo articolo descrive le designazioni dei modelli, le caratteristiche strutturali, i parametri chiave delle prestazioni e gli scenari di applicazione pratica dei trasformatori trifase in olio serie S13, fungendo da riferimento per la selezione, l'approvvigionamento, il funzionamento e la manutenzione.

I. Designazione del modello: decifrazione del 'codice identità' S13

Le designazioni dei modelli di trasformatori di distribuzione consistono generalmente in una combinazione di lettere e numeri, con simboli specifici che rappresentano la struttura del prodotto, la classe di prestazione e i parametri nominali. Prendendo come esempio il modello comune S13-M.RL-500/10, la suddivisione è la seguente:

Pertanto, S13-M.RL-500/10 designa un trasformatore di distribuzione trifase in bagno d'olio con una capacità nominale di 500 kVA e una classe di tensione di 10 kV, caratterizzato da una struttura a nucleo avvolto tridimensionale completamente sigillata.

In particolare, la 'M' indica una struttura completamente sigillata, che è una caratteristica chiave del design della serie S13.

I tradizionali trasformatori in olio sono tipicamente dotati di conservatore dell'olio; l'olio del trasformatore interagisce con l'aria per accogliere le variazioni di volume causate dalle fluttuazioni di temperatura. Tuttavia, durante il funzionamento a lungo termine, l'umidità e l'ossigeno dell'aria possono causare l'invecchiamento graduale dell'olio del trasformatore, compromettendo così le prestazioni di isolamento.

La struttura completamente sigillata elimina il conservatore dell'olio, sfruttando invece l'espansione e la contrazione del serbatoio ondulato stesso per compensare le variazioni del volume dell'olio. Ciò isola l'olio del trasformatore dall'atmosfera esterna, riducendo i rischi di degradazione dell'olio e di assorbimento di umidità e migliorando la stabilità dell'apparecchiatura durante il funzionamento a lungo termine.

II. Principali caratteristiche tecniche della serie S13

In particolare, la 'M' indica una struttura completamente sigillata, che è una caratteristica chiave del design della serie S13. I tradizionali trasformatori in olio sono tipicamente dotati di conservatore dell'olio; l'olio del trasformatore interagisce con l'aria per accogliere le variazioni di volume causate dalle fluttuazioni di temperatura. Tuttavia, durante il funzionamento a lungo termine, l'umidità e l'ossigeno dell'aria possono causare l'invecchiamento graduale dell'olio del trasformatore, compromettendo così le prestazioni di isolamento.

La struttura completamente sigillata elimina il conservatore dell'olio, sfruttando invece l'espansione e la contrazione del serbatoio ondulato stesso per compensare le variazioni del volume dell'olio. Ciò isola l'olio del trasformatore dall'atmosfera esterna, riducendo i rischi di degradazione dell'olio e di assorbimento di umidità e migliorando la stabilità dell'apparecchiatura durante il funzionamento a lungo termine.

1. Perdite a vuoto ridotte e migliore economia operativa

Durante il funzionamento del trasformatore, il nucleo di ferro genera una certa perdita anche in assenza di carico; questo è noto come perdita a vuoto. Poiché i trasformatori di distribuzione in genere rimangono sotto tensione per periodi prolungati, ridurre le perdite in assenza di carico è fondamentale per ridurre al minimo il consumo energetico annuale.

La serie S13 raggiunge perdite a vuoto inferiori rispetto alla serie S11 attraverso materiali di base e processi di produzione ottimizzati.

Questi prodotti utilizzano generalmente lamiere di acciaio al silicio a grani orientati laminati a freddo di alta qualità per il nucleo e impiegano configurazioni di giunti ottimizzate per ridurre al minimo la perdita di flusso magnetico. Alcuni modelli ad alte prestazioni utilizzano acciaio al silicio ad alta permeabilità per migliorare ulteriormente le proprietà magnetiche.

Inoltre, il processo di produzione del nucleo impiega una struttura di giunzione completamente smussata a 45°, che minimizza le variazioni di riluttanza magnetica nel circuito magnetico e riduce le perdite di ferro durante il funzionamento.

Per quanto riguarda i materiali conduttori, la serie S13 utilizza generalmente filo di rame ad alta conduttività per gli avvolgimenti per ridurre le perdite resistive sotto carico e migliorare l'efficienza operativa complessiva.

Prendendo come esempio un'unità da 10 kV, 500 kVA, la serie S13 presenta perdite a vuoto inferiori rispetto ai tradizionali modelli S11, riducendo così gli sprechi energetici durante il funzionamento a lungo termine.

2. Applicazione della struttura tridimensionale del nucleo della ferita

Alcuni modelli della serie S13 presentano una struttura a nucleo avvolto tridimensionale (tipo RL), che rappresenta una tendenza significativa nell'ottimizzazione strutturale dei trasformatori di distribuzione negli ultimi anni.

A differenza dei tradizionali nuclei impilati, il nucleo avvolto tridimensionale è formato attraverso un processo di avvolgimento continuo per creare un circuito magnetico trifase chiuso. I tre arti del nucleo sono disposti in una configurazione tridimensionale, risultando in un circuito magnetico trifase più bilanciato. Questa struttura offre le seguenti caratteristiche principali:

·Simmetria del circuito magnetico migliorata: la riluttanza magnetica attraverso le tre fasi è essenzialmente uniforme, contribuendo a ridurre la corrente di eccitazione;

·Perdite a vuoto ridotte: le perdite di flusso magnetico sono ridotte al minimo, migliorando l'efficienza di utilizzo del nucleo;

·Rumore di funzionamento ridotto: gli effetti di magnetostrizione ridotti si traducono in un funzionamento più silenzioso e fluido;

·Elevata resistenza strutturale: la struttura centrale integrata migliora la stabilità meccanica.

I prodotti caratterizzati dal design tridimensionale del nucleo avvolto offrono vantaggi distinti per luoghi con severi requisiti di controllo del rumore, come aree residenziali ed edifici commerciali.

3. Struttura completamente sigillata per una maggiore affidabilità operativa

Il design completamente sigillato è una caratteristica fondamentale che distingue i trasformatori della serie S13-M dai tradizionali modelli a bagno d'olio.

I trasformatori convenzionali in olio utilizzano tipicamente una struttura di conservazione dell'olio (serbatoio di espansione), in cui il livello dell'olio fluttua per adattarsi alle variazioni di volume indotte dalla temperatura. Tuttavia, durante il funzionamento a lungo termine, umidità, ossigeno e impurità presenti nell'aria possono penetrare nell'olio, accelerando l'invecchiamento dell'olio isolante e compromettendo le prestazioni di isolamento del trasformatore.

La serie S13-M utilizza una struttura completamente sigillata con un serbatoio ondulato, eliminando la necessità di un tradizionale conservatore dell'olio. Al variare della temperatura operativa, le pareti corrugate del serbatoio si espandono e si contraggono per compensare le variazioni del volume dell'olio, garantendo che l'olio interno rimanga completamente sigillato dall'ambiente esterno.

Questa struttura offre diversi vantaggi chiave:

·Riduce al minimo il contatto tra l'olio del trasformatore e l'aria, rallentando il tasso di ossidazione dell'olio;

·Riduce il rischio di ingresso di umidità, che potrebbe altrimenti compromettere le prestazioni di isolamento;

·Riduce la necessità di attività di manutenzione ordinaria come il rifornimento o la sostituzione dell'olio;

·Adatto per ambienti esterni e scenari che richiedono un funzionamento continuo a lungo termine.

Per le apparecchiature di distribuzione installate in luoghi dispersi o aree con accesso limitato per la manutenzione, come reti elettriche rurali, sottostazioni box all'aperto e sistemi di distribuzione di parchi industriali, la struttura completamente sigillata aiuta ad alleviare il carico di funzionamento e manutenzione continui.

4. Elevata capacità di resistenza al cortocircuito

Durante il funzionamento effettivo, i trasformatori di distribuzione possono essere soggetti a condizioni anomale come guasti di linea o cortocircuiti esterni. Quando si verifica un cortocircuito, gli avvolgimenti sono soggetti a forze elettromagnetiche significative; pertanto, la progettazione strutturale del trasformatore deve possedere una resistenza meccanica sufficiente.

La serie S13-M.RL utilizza una struttura a nucleo avvolto tridimensionale, che fornisce un'elevata rigidità complessiva per il gruppo del trasformatore. Gli avvolgimenti presentano tipicamente una struttura cilindrica con bobine concentriche di alta e bassa tensione, consentendo una distribuzione più uniforme delle forze elettromagnetiche assiali e radiali generate dalle correnti di cortocircuito.

Nel frattempo, l'assemblaggio interno è fissato mediante morsetti, tiranti e strutture di supporto isolanti per migliorare la stabilità meccanica complessiva, migliorando così la capacità del trasformatore di resistere all'impatto di cortocircuiti improvvisi.

Va notato che la capacità di tenuta al cortocircuito di un trasformatore dipende non solo dalla struttura del nucleo ma anche dalla progettazione dell'avvolgimento, dai processi di produzione, dai materiali isolanti e dalla qualità dell'assemblaggio; pertanto, durante la selezione effettiva del progetto dovrebbero essere condotte valutazioni approfondite basate sui dati delle prove di tipo del produttore

III. Parametri di prestazione tecnica

La serie S13 di trasformatori trifase in olio da 10 kV offre un'ampia gamma di capacità, che copre i valori di capacità standard comunemente utilizzati nei sistemi generali di distribuzione dell'energia. Di seguito sono riportati alcuni parametri tipici della serie S13-M.RL:

Specifiche Tecniche Generali

I trasformatori di distribuzione da 10kV serie S13 soddisfano generalmente i seguenti requisiti tecnici di base:

*Frequenza nominale: 50 Hz

*Classe di tensione nominale: 10 kV / 0,4 kV

*Metodo di raffreddamento: ONAN (raffreddamento naturale immerso nell'olio)

*Classe di isolamento: isolamento di classe A

*Intervallo di presa HV: ±5% o ±2×2,5%

*Gruppo vettoriale: Dyn11 o Yyn0

Tra questi, il gruppo vettoriale Dyn11 è ampiamente utilizzato nella distribuzione di energia urbana e nelle applicazioni di carico industriale perché l'avvolgimento collegato a triangolo consente alle correnti di terza armonica di circolare internamente, contribuendo così a mitigare l'impatto delle armoniche sul sistema di alimentazione.

IV. Requisiti del grado di efficienza energetica

I trasformatori di distribuzione sono apparecchiature progettate per un funzionamento a lungo termine e i loro livelli di perdita influiscono direttamente sui costi operativi della rete. Pertanto, le norme nazionali hanno stabilito requisiti chiari per gli indicatori di efficienza energetica dei trasformatori. Secondo lo standard Valori minimi consentiti di efficienza energetica e gradi di efficienza energetica per trasformatori di potenza (GB 20052-2020), le misurazioni delle perdite della serie S13 soddisfano i requisiti di efficienza energetica pertinenti, rendendoli trasformatori di distribuzione a risparmio energetico ampiamente utilizzati nel mercato attuale.

Va notato che lo standard GB 20052 è stato aggiornato. GB 20052-2024 entrerà in vigore il 1 febbraio 2025; basandosi sulla versione precedente, perfeziona ulteriormente i requisiti di efficienza energetica per i trasformatori in nuovi scenari di applicazione dell'energia, comprese le apparecchiature per l'energia fotovoltaica (PV), l'energia eolica e i sistemi di accumulo dell'energia.

Per i progetti di distribuzione standard da 10 kV, la serie S13 soddisfa le tradizionali esigenze di risparmio energetico. Tuttavia, per progetti con requisiti di consumo energetico più severi, come edifici ecologici, data center su larga scala e nuove centrali elettriche, possono essere presi in considerazione prodotti con gradi di efficienza energetica più elevati (ad esempio, le serie S20 o S22), a seconda dei budget di investimento e dei cicli di vita operativi.

V. Scenari applicativi

I trasformatori trifase in olio della serie S13 vengono utilizzati principalmente nei sistemi di distribuzione CA a 50 Hz con tensione nominale di 10 kV o inferiore. Sono adatti per applicazioni che richiedono elevata affidabilità operativa, bassi livelli di perdite e facilità di manutenzione.

Va notato che i nuovi progetti energetici spesso comportano condizioni operative più complesse per i trasformatori. Oltre ai parametri di capacità e perdita, è necessario considerare fattori quali livelli armonici, fluttuazioni di carico e requisiti di connessione alla rete. Pertanto, per applicazioni come il fotovoltaico e lo stoccaggio dell'energia, i prodotti idonei dovrebbero essere selezionati in base ai requisiti tecnici specifici del progetto. VI. Analisi economica comparativa: serie S13 e serie S11

Quando si selezionano i trasformatori di distribuzione, la scelta tra le serie S13 e S11 dipende non solo dal prezzo di acquisto iniziale ma anche da una valutazione globale delle perdite energetiche a lungo termine e dei costi di manutenzione.

Rispetto alla serie S11, la serie S13 ottiene ulteriori riduzioni delle perdite sia a vuoto che a carico attraverso materiali di base e processi di produzione ottimizzati. Poiché i trasformatori di distribuzione tipicamente funzionano ininterrottamente per lunghi periodi, le perdite a vuoto persistono anche in condizioni di basso carico; pertanto, ridurre al minimo queste perdite è praticamente significativo per migliorare l'efficienza economica del ciclo di vita dell'apparecchiatura.

Prendendo come esempio un trasformatore da 10 kV, 500 kVA, la tabella seguente confronta i costi operativi dei due prodotti sulla base di un presupposto di 8.000 ore di funzionamento annuali e un prezzo dell'elettricità di 0,8 RMB/kWh:

I calcoli precedenti dimostrano che, in condizioni operative a lungo termine, la serie S13 riduce i costi dell'elettricità minimizzando le perdite di energia. Per i progetti che prevedono tempi di funzionamento prolungati e carichi stabili, i risparmi derivanti dall’efficienza energetica possono in genere compensare il maggiore investimento iniziale nel tempo.

Va notato che il periodo di ammortamento effettivo dipende da fattori quali il prezzo di acquisto delle apparecchiature, le tariffe elettriche locali, il fattore di carico e la durata operativa; pertanto, durante il processo di selezione si raccomanda una valutazione completa basata su condizioni operative specifiche.

Domande frequenti (FAQ)

Q1: Quali sono le principali differenze tra la serie S13 e la serie S11?

Il miglioramento principale della serie S13 rispetto alla serie S11 risiede nel controllo delle perdite. Ottimizzando i materiali principali e i processi di produzione, la serie S13 riduce ulteriormente le perdite a vuoto, migliorando così l'efficienza economica durante il funzionamento a lungo termine. Il tasso specifico di riduzione delle perdite dipende dalla capacità del prodotto, dal design strutturale e dalle specifiche tecniche del produttore.

Q2: Qual è la differenza tra S13-M e S13-M.RL?

L'S13-M presenta una struttura completamente sigillata; la sua caratteristica principale è l'eliminazione del conservatore dell'olio, isolando così l'olio del trasformatore dall'aria esterna.

Basandosi su questo, l'S13-M.RL incorpora una struttura del nucleo avvolto 3D. Questo design ottimizza il circuito magnetico per ridurre ulteriormente le perdite e il rumore di funzionamento, migliorando al tempo stesso la stabilità strutturale.

Q3: Quali standard di efficienza energetica soddisfa la serie S13?

La serie S13 è conforme ai requisiti stabiliti nei 'Valori minimi consentiti di efficienza energetica e gradi di efficienza energetica per trasformatori di potenza.' Con l'implementazione dello standard GB 20052-2024, i requisiti di efficienza energetica per i trasformatori di distribuzione sono stati aumentati; pertanto, è necessario selezionare prodotti con il grado di efficienza energetica appropriato in base ai requisiti specifici del progetto.

D4: In quali applicazioni viene utilizzata principalmente la serie S13?

La serie S13 viene utilizzata principalmente nei sistemi di distribuzione con tensione nominale di 10 kV e inferiore, comprese le reti elettriche urbane e rurali, complessi residenziali, edifici commerciali, imprese industriali e alcuni progetti di supporto per la nuova energia.

Q5: Un trasformatore completamente sigillato è completamente esente da manutenzione?

La struttura completamente sigillata riduce al minimo il contatto tra l'olio del trasformatore e l'aria, riducendo così i rischi di degrado dell'olio e di assorbimento di umidità, che a sua volta riduce il carico di lavoro per la manutenzione ordinaria. Tuttavia, l'apparecchiatura richiede ancora ispezioni regolari e test periodici in conformità con gli standard pertinenti per garantire un funzionamento sicuro a lungo termine.