Quali fattori devono essere considerati nella progettazione dei trasformatori di distribuzione nei progetti industriali?

Nei progetti industriali, la scelta del tipo e la progettazione dei trasformatori di distribuzione implicano molto di più del semplice calcolo della capacità in base ai programmi di carico. Le condizioni del sito, le caratteristiche del carico, la protezione del sistema, lo spazio per future espansioni e persino i vincoli di trasporto e installazione determinano direttamente se il trasformatore funzionerà in modo affidabile e senza problemi per il prossimo decennio o diventerà una fonte persistente di problemi. Oggi, dal punto di vista dell'applicazione sul campo, elaborerò i fattori critici che guidano veramente le decisioni di progettazione.

1. Calcolo del carico e margine di capacità

I carichi industriali sono tipicamente caratterizzati da un elevato volume di carichi d'urto e sorgenti armoniche. Le cadute di tensione causate dall'avviamento di gruppi motore e le drastiche fluttuazioni di corrente provenienti da forni elettrici o saldatrici devono essere tenute in conto con adeguati margini di capacità in fase di progettazione.

La mia raccomandazione è di mantenere un fattore di carico normale compreso tra il 65% e il 75% . Per le linee di produzione con cicli di avvio frequenti, la verifica deve essere eseguita in base alla 'Capacità del singolo motore più grande × Moltiplicatore di avviamento diretto + Carico operativo rimanente' . Si sono verificati molti incidenti in loco in cui la capacità calcolata del trasformatore sembrava sufficiente, ma l'interruttore principale a bassa tensione è scattato ogni volta che venivano alimentate apparecchiature di grandi dimensioni. La causa principale era la mancata considerazione della caduta di tensione durante l'avvio del motore.

2. Condizioni ambientali e revisioni progettuali

È molto probabile che questa sezione venga trascurata durante la fase di progettazione del disegno. Ho visto più di un progetto in cui la scheda tecnica del trasformatore riportava 'altitudine inferiore a 1000 m', solo per scoprire dopo la consegna dell'apparecchiatura che il sito dell'impianto si trova ad un'altitudine superiore a 1500 metri.

Nella fase iniziale della progettazione è necessario ottenere i seguenti dati ambientali:

• Temperatura media annuale e temperatura massima estrema: influiscono direttamente sulla progettazione della dissipazione del calore e sulla configurazione della ventola

• Condizioni di ventilazione nel luogo di installazione: se la ventilazione naturale è consentita o il raffreddamento ad aria forzata è obbligatorio

• Altitudine: il livello di isolamento e la capacità di dissipazione del calore devono essere rivisti mediante fattori di correzione quando l'altitudine supera i 1000 metri

• Gravità dell’inquinamento atmosferico: polveri o gas corrosivi nei cementifici, negli impianti chimici e nelle officine metallurgiche possono causare una significativa erosione dei materiali isolanti

• Dimensioni dello spazio di installazione, compresi i passaggi di trasporto, gli accessi per la manutenzione e le aperture di sollevamento, che spesso impongono vincoli prima delle dimensioni complessive del trasformatore stesso

3. Impedenza di cortocircuito e coordinamento con la protezione del sistema

L'impedenza di cortocircuito è un parametro chiave che determina il livello di corrente di cortocircuito sul lato di bassa tensione. La selezione di un valore di impedenza più elevato (ad esempio, 6%~8%) può limitare efficacemente la corrente di cortocircuito e ridurre i requisiti di capacità di interruzione per i quadri a valle, al prezzo di una maggiore velocità di regolazione della tensione e di una minore tensione di uscita a pieno carico.

In questa fase è necessario effettuare un chiaro allineamento dei parametri con l'autorità di alimentazione a monte: Qual è la capacità di cortocircuito nella modalità operativa massima del sistema? La sensibilità nella modalità operativa minima soddisfa i requisiti di protezione? Senza confermare queste due serie di dati, la selezione dell'impedenza per il trasformatore di distribuzione è semplicemente un'ipotesi.

4. Compromesso pratico tra capacità di sovraccarico e modalità di raffreddamento

La curva operativa effettiva nei siti industriali generalmente non è piatta: pieno carico durante il giorno, carico leggero di notte e carico pesante sostenuto durante i periodi di alta temperatura in estate. Pertanto, il multiplo di sovraccarico normale e la durata del sovraccarico di emergenza del trasformatore devono essere definiti in fase di progettazione.

In termini di modalità di raffreddamento:

• AN (Natural Air Cooling) : struttura semplice senza consumo di energia ausiliaria, ma con capacità di sovraccarico limitata

• AF (raffreddamento ad aria forzata) : aumenta significativamente la capacità di uscita (tipicamente del 20%~30%), ma aumenta i costi di funzionamento e manutenzione delle ventole

Per i consumatori industriali con produzione continua 24 ore su 24, tendo a consigliare il raffreddamento ad aria forzata dotato di monitoraggio delle condizioni della ventola. Il margine extra di dissipazione del calore durante i caldi mesi estivi spesso fa la differenza tra una produzione ininterrotta e un arresto dovuto a un intervento.

Nei progetti di distribuzione dell'energia industriale a cui partecipa Zisheng Electric, solitamente chiediamo ai clienti di integrare la lista di carico, la capacità massima del motore, la capacità di cortocircuito del sistema, la temperatura ambiente, l'altitudine e le dimensioni di installazione nella fase di conferma tecnica prima di finalizzare la capacità, l'impedenza e lo schema di raffreddamento.

Una volta abbiamo supportato un progetto di produzione di cemento sulla scelta del trasformatore di distribuzione. Lo schema iniziale adottava un trasformatore da 2500 kVA basato sul calcolo del carico convenzionale. Tuttavia, ulteriori verifiche hanno rivelato un avvio concentrato di motori ad alta potenza sulla linea di produzione. Dopo aver ricalcolato la caduta di tensione di avvio, l'impedenza di cortocircuito e la curva di carico, la capacità e lo schema di avvio sono stati adeguati di conseguenza. Un ulteriore giro di calcoli nella fase di scelta dell'apparecchiatura ha evitato modifiche al sistema a bassa tensione dopo la messa in servizio.

5. Regolazione della tensione e configurazione dei commutatori di prese

La fluttuazione della tensione nelle reti elettriche industriali è spesso maggiore di quella nelle reti elettriche pubbliche. Il lato ad alta tensione dei trasformatori di distribuzione è generalmente dotato di commutatori a circuito spento (±2×2,5% o ±3×2,5%), tuttavia tale regolazione richiede un funzionamento manuale in condizioni di spegnimento.

Se sul posto esiste una delle seguenti condizioni, l'aggiornamento a un commutatore sotto carico deve essere attentamente valutato:

• Linee di alimentazione lunghe con tensione in ingresso intrinsecamente instabile

• Linee di produzione sensibili alla tensione, dove la deviazione della tensione oltre i limiti consentiti influirà sulla resa del prodotto

• Variazione di carico estremamente ampia che non può essere completamente mitigata dalla compensazione della potenza reattiva

6. Impatti del gruppo vettoriale su armoniche e messa a terra

Per scenari industriali con un gran numero di carichi monofase o carichi non lineari, il gruppo vettoriale Dyn11 offre notevoli vantaggi. Le correnti di terza armonica formano correnti circolanti all'interno dell'avvolgimento delta invece di entrare nella linea neutra. Nel frattempo, la sua bassa impedenza di sequenza zero facilita il rapido isolamento dei guasti a terra monofase.

Al contrario, la connessione Yyn0 subisce un evidente spostamento del punto neutro in condizioni di squilibrio trifase. Dalla mia esperienza, a meno che il cliente non presenti espliciti requisiti speciali, Dyn11 è diventata una scelta ampiamente preferita per i progetti industriali. Il gruppo vettoriale finale dovrà essere comunque determinato in combinazione con la modalità di messa a terra del sistema, la protezione a sequenza zero, le condizioni di funzionamento in parallelo e le specifiche tecniche del proprietario.

7. Livello di perdita e costo del ciclo di vita

Nei progetti industriali con funzionamento continuo a lungo termine, il prezzo di acquisto rappresenta solo una parte del costo del ciclo di vita. Il fattore di carico, il prezzo dell'elettricità, le perdite a vuoto, le perdite di carico e la durata di servizio spesso influiscono notevolmente sull'economia delle diverse soluzioni. Le spese elettriche generate dalle perdite a vuoto (perdite di ferro) e dalle perdite di carico (perdite di rame) rappresentano la spesa maggiore.

Per la selezione della tipologia economica, consiglio di stimare il costo operativo annuale come segue:

Costo annuale dell'elettricità per perdite = (perdita a vuoto × 8760 h + perdita a carico × ore equivalenti a pieno carico) × prezzo dell'elettricità

Moltiplicando questo valore per la durata di servizio prevista spesso si rendono finanziariamente sostenibili trasformatori ad alta efficienza con costi di approvvigionamento leggermente più elevati ma perdite inferiori. Attualmente la Cina implementa lo standard di efficienza energetica GB 20052-2020. Il periodo di ammortamento per l’efficienza energetica di Classe 1 e Classe 2 è generalmente di 2~4 anni e gli anni di servizio successivi apportano puri vantaggi economici.

8. Abbinamento del grado di protezione e della forma di installazione

• IP20: Adatto per installazione in locali di distribuzione elettrica indipendenti con ambienti asciutti e puliti

• IP30 e superiore: applicabile ad aree con poca polvere o potenziale intrusione di piccoli animali

• Tipo da esterno: grado di protezione minimo IP54, insieme ad accessori quali ingresso cavi dall'alto/dal basso, cappa antipioggia e riscaldatore anticondensa

Inoltre, la scelta tra trasformatori a secco e trasformatori immersi in olio influisce direttamente sulla progettazione della protezione. I trasformatori a secco presentano eccezionali prestazioni di sicurezza antincendio e sono adatti per scantinati o aree densamente occupate. I trasformatori immersi nell'olio richiedono strutture antincendio di supporto come pozzi di raccolta dell'olio e condotte di drenaggio dell'olio.

Tabella di riferimento per i parametri chiave di progettazione

9. Strategia di prenotazione per la futura espansione della capacità

Esiste uno schema regolare nella produzione industriale: il carico energetico effettivo tre anni dopo la messa in servizio spesso supera la previsione di carico a lungo termine mostrata nei disegni di progettazione. Laddove le condizioni lo consentono, si consiglia di riservare la fondazione del trasformatore e l'armadio di ingresso ad alta tensione per la potenza immediatamente superiore e di sovradimensionare adeguatamente la sbarra collettrice a bassa tensione. Anche se il trasformatore attualmente acquistato ha una capacità moderata, non sarà necessaria alcuna modifica alle opere civili o alle sbarre principali quando si passerà ad un'unità di capacità maggiore in futuro. Vale la pena attuare in anticipo questa preparazione anticipata.

10. Condizioni di trasporto e installazione: il collo di bottiglia finale dei progetti

Questo promemoria è rivolto soprattutto agli ingegneri che lavorano su progetti di ristrutturazione. Molti impianti industriali costruiti negli anni '80 e '90 dispongono di cabine di trasformazione con porte strette, capacità di carico del pavimento limitata e strade esterne con raggi di sterzata ridotti, che potrebbero impedire la consegna e il posizionamento di nuovi trasformatori di distribuzione. In fase di progettazione dovranno essere accuratamente verificati il ​​peso complessivo, le dimensioni esterne del trasformatore ed il raggio minimo di sterzata del percorso di trasporto. Se necessario, è possibile adottare una soluzione di trasporto frazionato più assemblaggio in loco.

Nei progetti di distribuzione dell'energia industriale intrapresi da Zisheng Electric, solitamente chiediamo ai clienti di fornire documenti supplementari tra cui elenchi di carico, capacità massima del motore, capacità di cortocircuito del sistema, temperatura ambiente, altitudine e dimensioni di installazione in fase di conferma tecnica, prima di finalizzare la capacità, l'impedenza e lo schema di raffreddamento. Il nostro portafoglio prodotti copre trasformatori in olio, trasformatori di sottostazioni, trasformatori montati su pad, trasformatori su palo, trasformatori a secco , e altre apparecchiature di distribuzione dell'energia . Supportiamo la progettazione standard IEC, FAT (Factory Acceptance Test) e supervisione e ispezione di terze parti.

La scelta di un trasformatore di distribuzione è essenzialmente un compromesso globale tra condizioni del sito, modelli di carico, parametri di sistema, budget di investimento e capacità di funzionamento e manutenzione. Non esiste il modello 'migliore', solo la soluzione più adatta.

Se hai un progetto specifico in Medio Oriente che richiede consigli sulla selezione delle apparecchiature, parametri tecnici o supporto per la documentazione di gara, fornisci semplicemente i dettagli del progetto (ubicazione, capacità, livello di tensione, ambiente di installazione e requisiti speciali). Il nostro team tecnico fornirà una risposta iniziale entro 24 ore.