Οδηγός για μετασχηματιστές μέσης τάσης

 

 

Οι μετασχηματιστές μέσης τάσης αποτελούν θεμελιώδη στοιχεία της σύγχρονης ηλεκτρικής υποδομής. Ενώμετασχηματιστές υψηλής τάσηςχρησιμοποιούνται κυρίως για μαζική μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις-ενισχύοντας την έξοδο της γεννήτριας για την ελαχιστοποίηση των απωλειών γραμμής-οι μετασχηματιστές μέσης τάσης λειτουργούν εντός του δικτύου διανομής, μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια από το ένα επίπεδο τάσης στο άλλο εντός του μεσαίου εύρους. Αυτό επιτρέπει την ασφαλή και αποτελεσματική παροχή ενέργειας σε βιομηχανικά, εμπορικά και βοηθητικά συστήματα. Η κατανόηση των χαρακτηριστικών, των τύπων και των κριτηρίων επιλογής των μετασχηματιστών μέσης τάσης είναι επομένως απαραίτητη για τους μηχανικούς, τους διαχειριστές εγκαταστάσεων και τους επαγγελματίες προμηθειών που ασχολούνται με το σχεδιασμό και τη συντήρηση ηλεκτρικών συστημάτων.

 

 

1.1 Ορισμός

Ένας μετασχηματιστής μέσης τάσης είναι μια ηλεκτρική συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ επιπέδων μέσης τάσης-συνήθως της εισερχόμενης τάσης διανομής-και χαμηλότερων τάσεων κατάλληλων για εφαρμογές τελικής-χρήσης. Σε πρακτικούς όρους [i], ένας μετασχηματιστής μέσης τάσης λαμβάνει ισχύ σε τάσεις που κυμαίνονται από περίπου2,4 kV έως 69 kVκαι το μειώνει σε τάσεις χρήσης όπως 480 V, 208 V ή άλλα επίπεδα που απαιτούνται από το φορτίο.

Τα ακριβή όρια τάσης διαφέρουν ελαφρώς ανάλογα με το πρότυπο που συμβουλεύεστε. Σύμφωνα με το ANSI (American National Standards Institute), οι μετασχηματιστές μέσης τάσης μπορούν να χειριστούν τάσεις από2,4 kV έως 69 kV. Το IEEE ορίζει τα συστήματα μέσης τάσης στις Ηνωμένες Πολιτείες ως συνήθως κυμαινόμενα από5 kV έως 35 kVγια τις περισσότερες εφαρμογές διανομής, με εξοπλισμό συνήθως ονομαστικής τάσης 5 kV ή 15 kV. Στην Ευρώπη, το πρότυπο EN 50588-1 ορίζει τους μετασχηματιστές μέσης ισχύος ως εκείνους με την υψηλότερη τάση για εξοπλισμό μεγαλύτερη από 1,1 kV αλλά όχι μεγαλύτερη από 36 kV.

 

1.2 Ρόλος στο Σύστημα Διανομής Ισχύος

Για να κατανοήσουμε πού ταιριάζουν οι μετασχηματιστές μέσης τάσης, βοηθάει να απεικονίσουμε την ευρύτερη ιεραρχία διανομής ισχύος:

Γενιά → Μετάδοση:Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής παράγουν ηλεκτρική ενέργεια σε σχετικά χαμηλές τάσεις, οι οποίες στη συνέχεια ανεβαίνουν σε υψηλές ή επιπλέον{0}}υψηλές τάσεις (115 kV έως 765 kV) για αποτελεσματική μετάδοση σε μεγάλες{{3} αποστάσεις.

Μετάδοση → Διανομή:Στους υποσταθμούς, οι υψηλές τάσεις μειώνονται σε μεσαίες τάσεις (συνήθως 5 kV έως 35 kV) για διανομή μέσω των πρωτευόντων τροφοδοτικών.

Διανομή → Πελάτης:Οι μετασχηματιστές μέσης τάσης παρέχουν τον τελικό μετασχηματισμό τάσης, μειώνοντας την τάση διανομής σε επίπεδα χρήσης (π.χ. 480 V, 240 V, 120 V) για πελάτες τελικής-χρήσης.

Σε πολλές περιπτώσεις, ένα δίκτυο παροχής ρεύματος σε μια εγκατάσταση μέσης τάσης και η εγκατάσταση διαθέτει και λειτουργεί τον δικό της μετασχηματιστή μέσης τάσης για να κατέβει σε χαμηλή τάση. Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει στην εγκατάσταση να επωφεληθεί από το χαμηλότερο ενεργειακό κόστος που σχετίζεται με την υπηρεσία μέσης τάσης και παρέχει στον ιδιοκτήτη μεγαλύτερο έλεγχο της ποιότητας ισχύος.

1.3 Βασικά πρότυπα και συμμόρφωση

Οι μετασχηματιστές μέσης τάσης κατασκευάζονται σύμφωνα με μια ποικιλία βιομηχανικών προτύπων, κυρίως από την IEEE και την IEC. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, τα χαρακτηριστικά και η λειτουργικότητα των περισσότερων μετασχηματιστών διανομής εμπίπτουνΠρότυπο IEEE C57.12.00(Τυπικές γενικές απαιτήσεις για υγρούς-Βυθισμένους μετασχηματιστές διανομής, ισχύος και ρύθμισης). Ωστόσο, πολλά άλλα πρότυπα ισχύουν για συγκεκριμένους τύπους και εφαρμογές μετασχηματιστών:

• IEEE C57.12.01:Τυπικές γενικές απαιτήσεις για μετασχηματιστές ξηρού-τύπου και ισχύος
• IEEE C57.12.34:Απαιτήσεις για μετασχηματιστές διανομής-Ενσωματωμένος, Διαμερισματικός-Τύπος-Αυτόψυκτος, Τρεις-Φάσεις
• IEEE C57.12.28/29:Pad-Ακεραιότητα περιβλήματος τοποθετημένου εξοπλισμού
• IEC 60076:Σειρά διεθνών προτύπων για μετασχηματιστές ισχύος, συμπεριλαμβανομένων μετασχηματιστών μέσης ισχύος
• NEMA TP-1:Οδηγός για τον προσδιορισμό της ενεργειακής απόδοσης για μετασχηματιστές διανομής
• DOE 10 CFR Μέρος 431:Πρότυπα απόδοσης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ για μετασχηματιστές διανομής

Για εγκαταστάσεις στις Ηνωμένες Πολιτείες, συμμόρφωση με τηνΕθνικός Ηλεκτρικός Κώδικας (NFPA 70)είναι επίσης υποχρεωτική. Στον Καναδά, τοΚαναδικός Ηλεκτρικός Κώδικας (CEC)ισχύει.

 

 

 

Δεν δημιουργούνται όλοι οι μετασχηματιστές μέσης τάσης ίσοι. Η επιλογή του τύπου μετασχηματιστή έχει βαθιές επιπτώσεις στο κόστος, την ασφάλεια, τις απαιτήσεις εγκατάστασης και τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία-.

 

2.1 Υγρό-Βυθισμένος έναντι ξηρού-Τύπος

Αυτή είναι η πιο θεμελιώδης διάκριση μεταξύ των μετασχηματιστών μέσης τάσης.

Οι ανταλλαγές- μεταξύ αυτών των δύο οικογενειών είναι σημαντικές:

Ιδιότης	Υγρό-Βυθισμένο	Ξηρός-Τύπος
Κίνδυνος πυρκαγιάς	Το υψηλότερο-απαιτεί πυροπροστασία για χρήση σε εσωτερικούς χώρους	Χαμηλή-κατάλληλη για εσωτερική εγκατάσταση
Απόδοση ψύξης	Εξαιρετικό (το λάδι μεταφέρει καλά τη θερμότητα)	Μέτρια (στηρίζεται στην κυκλοφορία του αέρα)
Συντήρηση	Απαιτείται περιοδικός έλεγχος και διήθηση λαδιού	Χαμηλή συντήρηση
Το προσδόκιμο ζωής	30-40 χρόνια τυπικά	20-30 χρόνια τυπικά
Τυπικές εφαρμογές	Υπαίθριοι υποσταθμοί, διανομή κοινής ωφέλειας	Εσωτερικές εγκαταστάσεις, εμπορικά κτίρια
Αρχικό κόστος	Γενικά χαμηλότερη για την ίδια βαθμολογία	Γενικά υψηλότερη για την ίδια βαθμολογία
Περιβαλλοντικός κίνδυνος	Οι διαρροές λαδιού μπορούν να μολύνουν το έδαφος	Χωρίς υγρό, χωρίς κίνδυνο διαρροής

 

2.2 Μετασχηματιστές Υποσταθμού

2.3 Pad-Mounted Transformers

2.4 Pole-Mounted Transformers

2.5 Μετασχηματιστές χυτής ρητίνης

 

 

 

Η φυσική κατασκευή του πυρήνα ενός μετασχηματιστή καθορίζει την απόδοση, τις απώλειες και τα χαρακτηριστικά απόδοσης.

3.1 Υλικά πυρήνα

Ο πυρήνας χρησιμεύει ως η μαγνητική διαδρομή για τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος τυλίγματος. Οι ιδιότητες του υλικού του επηρεάζουν άμεσα τις μη-απώλειες φορτίου (απώλειες πυρήνα), την απόδοση και την αύξηση της θερμοκρασίας.

Χάλυβας πυριτίου με προσανατολισμό σε κόκκους (GOSS)παραμένει το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό πυρήνα για μετασχηματιστές μέσης τάσης. Προσφέρει υψηλή μαγνητική διαπερατότητα και χαμηλές απώλειες δινορευμάτων. Το GOSS έχει σχεδιαστεί με έναν προτιμώμενο προσανατολισμό κόκκων που ευθυγραμμίζει τις μαγνητικές περιοχές με την κατεύθυνση της μαγνητικής ροής, μεγιστοποιώντας την απόδοση.

Άμορφα κράματα μετάλλωνέχουν αναδειχθεί ως εναλλακτική λύση για μετασχηματιστές-διανομής αποδοτικής ενέργειας. Αυτά τα υλικά προσφέρουν εξαιρετικά-χαμηλές απώλειες σιδήρου-συνήθως 70% έως 80% χαμηλότερες από τον συμβατικό χάλυβα πυριτίου-αλλά με υψηλότερο κόστος υλικού. Είναι ιδιαίτερα ελκυστικά για μετασχηματιστές που λειτουργούν σε χαμηλά φορτία για μεγάλες περιόδους.

Νανοκρυσταλλικά μαλακά μαγνητικά κράματαπαρουσιάζουν εξαιρετικές μαγνητικές ιδιότητες σε υψηλές συχνότητες και χρησιμοποιούνται κυρίως σε ηλεκτρονικούς μετασχηματιστές ή μετασχηματιστές ειδικής χρήσης και όχι σε συμβατικές μονάδες διανομής 50/60 Hz.

 

 

 

Η επιλογή του σωστού μετασχηματιστή ξεκινά με την κατανόηση των θεμελιωδών χαρακτηρισμών του.

4.1 Αξιολογήσεις τάσης

Κάθε μετασχηματιστής μέσης τάσης έχει δύο κρίσιμες τιμές τάσης: κύρια τάση (η πλευρά εισόδου) και δευτερεύουσα τάση (η πλευρά εξόδου). Για παράδειγμα, ένας μετασχηματιστής με ονομαστική τάση 13,8 kV / 480 V λαμβάνει 13,8 kV στην κύρια πλευρά και αποδίδει 480 V στη δευτερεύουσα πλευρά.

Οι μετασχηματιστές έχουν επίσης ένα βασικό επίπεδο παλμού (BIL), το οποίο αντιπροσωπεύει την τάση αιχμής που μπορεί να αντέξει η μόνωση κατά τη διάρκεια ενός κεραυνού ή της υπέρτασης μεταγωγής. Για μετασχηματιστές μέσης τάσης, οι τιμές BIL κυμαίνονται από 60 kV έως 150 kV ή υψηλότερες, ανάλογα με την κατηγορία τάσης και την εφαρμογή.

Αξιολογήσεις 4,2 kVA

Η βαθμολογία kVA (κιλοβολτ-αμπέρ) ενός μετασχηματιστή υποδεικνύει τη φαινομενική χωρητικότητα ισχύος του-πόσο ρεύμα μπορεί να μεταφέρει χωρίς υπερθέρμανση. Τα τυπικά τριφασικά μεγέθη μετασχηματιστή μέσης τάσης kVA περιλαμβάνουν:30, 45, 75, 112,5, 150, 225, 300, 500, 750, 1.000, 1.500, 2.000 και 2.500 kVA.

Η επιλογή της σωστής βαθμολογίας kVA είναι κρίσιμη. Ένας μετασχηματιστής που είναι μικρότερος θα υπερθερμανθεί, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής της μόνωσης και ενδεχομένως προκαλώντας πρόωρη αστοχία. Ένας υπερμεγέθης μετασχηματιστής αυξάνει το αρχικό κόστος και μπορεί να λειτουργεί αναποτελεσματικά σε ελαφρά φορτία, καθώς υπάρχουν απώλειες πυρήνα ανεξάρτητα από το φορτίο.

4.3 Κατηγορίες αύξησης θερμοκρασίας και μόνωσης

Οι μετασχηματιστές παρατίθενται με βαθμολογία αύξησης θερμοκρασίας-συνήθως 80 μοίρες , 115 μοίρες ή 150 μοίρες -που υποδηλώνει πόσο θα ανέβει η θερμοκρασία του μετασχηματιστή πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος υπό πλήρες φορτίο. Ένας μετασχηματιστής με άνοδο 80 μοιρών λειτουργεί σημαντικά πιο ψυχρός από έναν με ονομαστική άνοδο 150 μοιρών, γεγονός που μπορεί να μεταφραστεί σε μεγαλύτερη διάρκεια ζωής μόνωσης και καλύτερη απόδοση, αλλά και υψηλότερο αρχικό κόστος.

Οι κατηγορίες μόνωσης (Κλάση Α στους 105 βαθμούς, Κατηγορία Β στους 130 βαθμούς, Κατηγορία F στους 155 βαθμούς, Κατηγορία Η στους 180 βαθμούς) ορίζουν τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας που μπορούν να αντέξουν τα μονωτικά υλικά χωρίς σημαντική υποβάθμιση.

 

 

 

Ο τρόπος με τον οποίο συνδέονται οι περιελίξεις ενός μετασχηματιστή καθορίζει την απόδοσή του με μη ισορροπημένα φορτία, αρμονικές και σφάλματα γείωσης.

5.1 Βασικοί τύποι σύνδεσης

Υπάρχουν τρία θεμελιώδησύνδεση περιέλιξηςσχήματα:

Σύνδεση Star (Wye) (Y):Το ένα άκρο κάθε περιέλιξης φάσης συνδέεται μαζί σε ένα κοινό σημείο (τον ουδέτερο). Μια σύνδεση αστεριού παρέχει ένα ουδέτερο σημείο που μπορεί να γειωθεί.

Σύνδεση Delta (D):Οι φάσεις συνδέονται σε κλειστό βρόχο, χωρίς ουδέτερο σημείο. Οι συνδέσεις Delta είναι εγγενώς ισορροπημένες και παρέχουν μια διαδρομή για ρεύματα μηδενικής-ακολουθίας.

Σύνδεση ζιγκ-ζαγκ (Z):Μια εξειδικευμένη σύνδεση που χρησιμοποιείται κυρίως για τη γείωση μετασχηματιστών ή μετασχηματιστών με μικρότερη ονομαστική ισχύ. Οι συνδέσεις ζιγκ-ζαγκ χρησιμοποιούνται συνήθως μόνο στη δευτερεύουσα πλευρά.

 

5.2 Σημειογραφία διανυσματικής ομάδας

Η ομάδα διανυσμάτων ενός μετασχηματιστή περιγράφει τη διαμόρφωση περιελίξεων και τη σχέση φάσης μεταξύ της πρωτογενούς και της δευτερεύουσας τάσης. Η σημείωση ακολουθεί μια τυπική μορφή:

Το πρώτο γράμμα (κεφαλαία) υποδεικνύει την κύρια σύνδεση περιέλιξης: D για δέλτα, Y για αστέρι, Z για ζιγκ-ζαγκ.

Το δεύτερο γράμμα (πεζό) υποδεικνύει τη δευτερεύουσα σύνδεση περιέλιξης.

Το "n" υποδηλώνει ότι το ουδέτερο σημείο έχει βγει προς τα έξω.

Ο αριθμός υποδεικνύει τη μετατόπιση φάσης με συμβολισμό ώρας-ωρολογίου (πολλαπλασιάστε επί 30 μοίρες για να λάβετε βαθμούς υστέρησης).

5.3 Σύγκριση Dyn11 και Yyn0

Δύο διανυσματικές ομάδες κυριαρχούν στις εφαρμογές διανομής:Dyn11καιYyn0.

Dyn11διαθέτει δέλτα-συνδεδεμένο πρωτεύον (D) και αστέρι-συνδεδεμένο δευτερεύον με ουδέτερο (yn), με μετατόπιση φάσης 330 μοιρών (11 στο ρολόι). Το πρωτεύον δέλτα παρέχει μια διαδρομή κυκλοφορίας για ρεύματα μηδενικής-ακολουθίας και παγιδεύει τριπλές αρμονικές (3η, 9η, κ.λπ.), εμποδίζοντάς τις να αντανακλούν πίσω στο δίκτυο τροφοδοσίας. Το Dyn11 χειρίζεται επίσης εξαιρετικά καλά μη ισορροπημένα φορτία, καθιστώντας το την προτιμώμενη επιλογή για σύγχρονα συστήματα διανομής με μη γραμμικά φορτία, όπως υπολογιστές, φωτισμός LED και μονάδες μεταβλητής συχνότητας.

Yyn0διαθέτει αστέρι-συνδεδεμένο πρωτεύον (Y) και αστέρι{{1}συνδεδεμένο δευτερεύον με ουδέτερο (yn), με μηδενική μετατόπιση φάσης. Το πρωτεύον αστέρι δεν έχει διαδρομή επιστροφής για ρεύματα μηδενικής-ακολουθίας. Κατά συνέπεια, μπορεί να εμφανιστούν τριπλές αρμονικές στην κύρια τάση και τα μη ισορροπημένα φορτία μπορεί να προκαλέσουν μετατόπιση ουδέτερου, οδηγώντας σε ανισορροπίες τάσης φάσης. Το Yyn0 περιορίζεται γενικά σε εφαρμογές με ελάχιστο αρμονικό περιεχόμενο και ισορροπημένα φορτία. Υπάρχει ένας επιπλέον περιορισμός: στους μετασχηματιστές Yyn0, το ρεύμα ουδέτερης γραμμής δεν πρέπει να υπερβαίνει το 25% του ονομαστικού ρεύματος δευτερεύουσας περιέλιξης, ενώ το Dyn11 μπορεί να χειριστεί έως και 75%.

Εν ολίγοις, για τις περισσότερες σύγχρονες εφαρμογές-ιδιαίτερα εκείνες που περιλαμβάνουν μη-μη γραμμικά φορτία, κέντρα δεδομένων, βιομηχανικές εγκαταστάσεις ή οποιαδήποτε εγκατάσταση με σημαντικά μονοφασικά φορτία-Το Dyn11 είναι η διανυσματική ομάδα επιλογής.

 

Το σωστό μέγεθος ενός μετασχηματιστή είναι μια από τις πιο σημαντικές αποφάσεις στο σχεδιασμό του συστήματος ισχύος. Τα λάθη σε αυτό το στάδιο μπορεί να οδηγήσουν σε χρόνια αναποτελεσματικότητας ή πρόωρη αποτυχία.

6.1-Βήμα προς-Διαδικασία προσδιορισμού μεγέθους

Βήμα 1: Υπολογίστε τη συνολική ισχύ φορτίου.Συντάξτε έναν κατάλογο όλων των φορτίων που συνδέονται κατάντη των κινητήρων-μετασχηματιστή, του φωτισμού, του HVAC, του εξοπλισμού γραφείου και των μηχανημάτων παραγωγής.

Βήμα 2: Εφαρμογή παραγόντων ταυτόχρονης χρήσης.Δεν λειτουργούν όλα τα φορτία με πλήρη χωρητικότητα ταυτόχρονα. Ένας παράγοντας ποικιλομορφίας (συνήθως 0,7 έως 0,9) εξηγεί αυτήν την πραγματικότητα.

Βήμα 3: Λάβετε υπόψη τα ρεύματα εκκίνησης του κινητήρα.Επαγωγικά φορτία όπως οι κινητήρες αντλούν 3 έως 7 φορές το κανονικό ρεύμα λειτουργίας τους κατά την εκκίνηση. Ο μετασχηματιστής πρέπει να έχει επαρκή χωρητικότητα για να χειρίζεται αυτά τα ρεύματα εισόδου χωρίς υπερβολική πτώση τάσης.

Βήμα 4: Εφαρμόστε ένα περιθώριο ασφαλείας.Προσθέστε 20% έως 30% επιπλέον χωρητικότητα για να αντιμετωπίσετε τις διακυμάνσεις του φορτίου και τη μελλοντική επέκταση.

Βήμα 5: Υπολογίστε τη χωρητικότητα του μετασχηματιστή.Χρησιμοποιήστε τον τύπο:

Χωρητικότητα μετασχηματιστή (kVA)=Συνολική ισχύς φορτίου (kW) ÷ Συντελεστής ισχύος × Περιθώριο ασφαλείας

Οι τυπικοί συντελεστές ισχύος κυμαίνονται από 0,8 έως 0,95 για τα περισσότερα βιομηχανικά και εμπορικά φορτία.

Βήμα 6: Επιλέξτε το επόμενο τυπικό μέγεθος.Στρογγυλοποιήστε στην πλησιέστερη τυπική βαθμολογία kVA από τη λίστα στην Ενότητα 4.2.

 

6.2 Θέματα περιβάλλοντος και εφαρμογής

Ο υπολογισμός του μεγέθους είναι μόνο η αρχή. Διάφοροι άλλοι παράγοντες θα επηρεάσουν την τελική επιλογή σας:

• Περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας:Για εγκαταστάσεις σε υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος ή πάνω από 1.000 μέτρα υψόμετρο, μειώστε την ονομαστική χωρητικότητα κατά 5% έως 20% λόγω μειωμένης απόδοσης ψύξης και μόνωσης.
• Αρμονικό περιεχόμενο:Συστήματα με σημαντικά μη-μη γραμμικά φορτία (οδηγοί μεταβλητής συχνότητας, συστήματα UPS, φωτισμός LED, υπολογιστές) ενδέχεται να απαιτούν μετασχηματιστή μεΚ-βαθμολόγηση παραγόντωννα χειριστεί την αρμονική θέρμανση χωρίς μείωση.
• Περιβάλλον εγκατάστασης:Οι μετασχηματιστές ξηρού{0}}τύπου προτιμώνται γενικά για εσωτερικές εγκαταστάσεις όπου η πυρασφάλεια αποτελεί ανησυχία. Οι μονάδες-βυθισμένες σε υγρό είναι πιο αποδοτικές-για εξωτερικές εγκαταστάσεις με επαρκή χώρο και περιορισμό.
• Φορτία κρούσης:Για φορτία όπως συγκολλητές ή συμπιεστές που επιβάλλουν ξαφνικές, υψηλές απαιτήσεις ρεύματος, αυξήστε την ικανότητα από 10% έως 30%.

 

6.3 Πρότυπα απόδοσης και ενέργειας

Ενεργειακή απόδοσηέχει γίνει ολοένα και πιο σημαντικός παράγοντας στην επιλογή μετασχηματιστών, λόγω τόσο λειτουργικού κόστους όσο και ρυθμιστικών απαιτήσεων.

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, τοΥπουργείο Ενέργειας (DOE)καθιερώθηκαν υποχρεωτικά πρότυπα απόδοσης για μετασχηματιστές διανομής, που ισχύουν την 1η Ιανουαρίου 2016, σύμφωνα με το 10 CFR Μέρος 431. Αυτά τα πρότυπα, τα οποία ισχύουν για οποιονδήποτε μετασχηματιστή διανομής που κατασκευάζεται την ή μετά την ημερομηνία αυτή και πωλείται σε οποιαδήποτε πολιτεία των ΗΠΑ, βασίζονται στην απόδοση που μετράται σε35% φορτίο-αντανακλώντας έρευνα που δείχνει ότι οι περισσότεροι μετασχηματιστές διανομής λειτουργούν στο 35% περίπου της ονομαστικής χωρητικότητας κατά μέσο όρο.

Για εφαρμογές που απαιτούν την υψηλότερη απόδοση,NEMA PremiumΟι μετασχηματιστές απόδοσης προσφέρουν περίπου 30% χαμηλότερες απώλειες από τις απαιτήσεις του DOE 2016. Ενώ το αρχικό ασφάλιστρο κόστους μπορεί να είναι σημαντικό, η περίοδος απόσβεσης μέσω μειωμένων απωλειών ενέργειας είναι συχνά ελκυστική για μετασχηματιστές με συνεχή φόρτωση.

 

6.4 Αντίσταση

Αντίσταση μετασχηματιστή(εκφρασμένο σε ποσοστό) καθορίζει πόσο ο μετασχηματιστής περιορίζει το ρεύμα σφάλματος και πόση πτώση τάσης συμβαίνει υπό φορτίο. Οι τυπικοί μετασχηματιστές διανομής έχουν συνήθως σύνθετες αντιστάσεις που κυμαίνονται από 2% έως 8%. Η υψηλότερη αντίσταση μειώνει το ρεύμα σφάλματος και προστατεύει τον εξοπλισμό κατάντη αλλά αυξάνει την πτώση τάσης.

 

 

 

Η σωστή εγκατάσταση είναι κρίσιμη για την ασφάλεια, την απόδοση και τη μακροζωία του μετασχηματιστή. Η εγκατάσταση που δεν πληροί τις απαιτήσεις του κώδικα μπορεί να οδηγήσει σε υπερθέρμανση, ηλεκτρικούς κινδύνους, αστοχίες επιθεώρησης και πιθανές νομικές ευθύνες.

7.1 Χώρος και χώρος εργασίας

Ο Εθνικός Ηλεκτρικός Κώδικας (NEC) απαιτεί επαρκή χώρο εργασίας γύρω από τον ηλεκτρικό εξοπλισμό για να επιτρέπει την έτοιμη και ασφαλή λειτουργία, συντήρηση και επιθεώρηση. Οι βασικές απαιτήσεις περιλαμβάνουν:

• Ελάχιστο ύψος καθαρού χώρου εργασίας:2,0 m (6,5 πόδια)
• Ελάχιστο πλάτος καθαρού χώρου εργασίας:914 mm (3 πόδια)
• Μπροστινή απόσταση:Τουλάχιστον 3 πόδια (0,9 m) μπροστά από τα περιβλήματα του μετασχηματιστή για επιθεώρηση και συντήρηση
• Διάκενο εξαερισμού:Συνήθως 150 έως 300 mm (6 έως 12 ίντσες) γύρω από αεριζόμενες επιφάνειες για μετασχηματιστές ξηρού-τύπου για να επιτρέπεται η ανεμπόδιστη ροή αέρα

Για μετασχηματιστές-που τοποθετούνται σε επίθεμα, οι συγκεκριμένες απαιτήσεις απόστασης εξαρτώνται από την εγκατάσταση. Το NEC δεν ορίζει πάντα τα κενά αριστερά, δεξιά και πίσω με ρητούς όρους, αλλά πρέπει να τηρούνται οι τοπικοί κώδικες και οι οδηγίες του κατασκευαστή. Η FM Global, για παράδειγμα, απαιτεί 25 πόδια μεταξύ μετασχηματιστών-γεμισμένοι με ορυκτέλαιο, αν και αυτή η απαίτηση πέφτει στο μηδέν για μετασχηματιστές που χρησιμοποιούν λιγότερα-εύφλεκτα υγρά.

7.2 Διαχωρισμός Διαμερισμάτων

Για εγκαταστάσεις μέσης τάσης, τα διαμερίσματα μέσης και χαμηλής τάσης πρέπει να διαχωρίζονται με ένα χαλύβδινο φράγμα που εκτείνεται σε όλο το ύψος και το βάθος των διαμερισμάτων. Και τα δύο διαμερίσματα πρέπει να είναι κατασκευασμένα από λαμαρίνα χάλυβα που να πληροί τις απαιτήσεις ANSI.

7.3 Γείωση

Η σωστή γείωση είναι απαραίτητη για την ασφάλεια και την προστασία του εξοπλισμού. Η αντίσταση γείωσης πρέπει συνήθως να διατηρείται στοΛιγότερο ή ίσο με 10 ohms. Ο ουδέτερος μετασχηματιστής (εάν υπάρχει) πρέπει να είναι σωστά γειωμένος σύμφωνα με τη σχεδίαση του συστήματος και τους ισχύοντες κώδικες. Οι απαιτήσεις γείωσης αναφέρονται λεπτομερώς στο άρθρο 250 του NEC.

7.4 Πυροπροστασία

Για μετασχηματιστές με πετρέλαιο-που είναι εγκατεστημένοι σε εσωτερικούς χώρους ή κοντά σε κτίρια, ενδέχεται να απαιτούνται μέτρα πυροπροστασίας. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν:

• Πυρκαγιά-τοίχοι ή φράγματα
• Αυτόματα συστήματα πυρόσβεσης
• Συγκράτηση λαδιού (λεκάνες περιορισμού διαρροής ή λάκκους περιορισμού πετρελαίου-)
• Αυτόματα συστήματα κατακλυσμού νερού για μεγαλύτερες εγκαταστάσεις

Ο τύπος του υγρού που χρησιμοποιείται στον μετασχηματιστή επηρεάζει επίσης τις απαιτήσεις πυροπροστασίας. Οι μετασχηματιστές που είναι γεμάτοι με λιγότερο-εύφλεκτα ή βιοαποδομήσιμα υγρά ενδέχεται να πληρούν τις προϋποθέσεις για μειωμένα διάκενα και απλουστευμένα μέτρα πυροπροστασίας.

 

 

 

Η προστασία ενός μετασχηματιστή μέσης τάσης απαιτεί μια συντονισμένη προσέγγιση που αντιμετωπίζει τόσο εσωτερικά σφάλματα όσο και εξωτερικές διαταραχές του συστήματος.

8.1 Προστασία από υπερένταση

Οι απαιτήσεις NEC για προστασία από υπερένταση μετασχηματιστή εξαρτώνται από την αντίσταση του μετασχηματιστή. Για μετασχηματιστές με σύνθετη αντίσταση 6% ή μικρότερη, το NEC απαιτεί τόσο πρωτογενή όσο και δευτερεύουσα προστασία. Η κύρια ασφάλεια δεν πρέπει να υπερβαίνει το 300% του πρωτεύοντος ρεύματος πλήρους-φόρτωσης (FLA) και η δευτερεύουσα συσκευή υπερέντασης στα 480 V δεν πρέπει να υπερβαίνει το 125% του δευτερεύοντος FLA.

8.2 Ασφάλειες έναντι διακόπτες κυκλώματος

Η επιλογή μεταξύ ασφαλειών και διακοπτών κυκλώματος για την προστασία του μετασχηματιστή περιλαμβάνει-ανταλλάγματα:

Σε πολλά δίκτυα διανομής, χρησιμοποιείται μια συνδυαστική προσέγγιση: ασφάλειες στην κύρια πλευρά για προστασία βραχυκυκλώματος, σε συνδυασμό με έναν διακόπτη χαμηλής-τάσης που παρέχει προστασία υπερφόρτωσης.

 

 

 

 

 

Ακόμη και ο πιο αξιόπιστος μετασχηματιστής χρειάζεται τακτική συντήρηση για να επιτύχει την πλήρη διάρκεια ζωής του. Ένα καλά σχεδιασμένο-πρόγραμμα συντήρησης μπορεί να επεκτείνει τη διάρκεια ζωής του μετασχηματιστή από 20-30 χρόνια σε 40 ή περισσότερα χρόνια.

9.1 Προγνωστική Συντήρηση

Η προγνωστική συντήρηση χρησιμοποιεί διαγνωστικά εργαλεία για τον εντοπισμό πιθανών προβλημάτων προτού οδηγήσουν σε αστοχία.

• Ανάλυση διαλυμένου αερίου (DGA):Το πιο ισχυρό εργαλείο για την αξιολόγηση της υγείας των μετασχηματιστών-βυθισμένων σε λάδι. Αναλύοντας τα αέρια που διαλύονται στο μονωτικό λάδι-υδρογόνου, μεθανίου, ακετυλενίου, αιθυλενίου-οι τεχνικοί μπορούν να εντοπίσουν ζητήματα όπως υπερθέρμανση, δημιουργία τόξου και βλάβη της μόνωσης. Το κανονικό DGA παρέχει έγκαιρη προειδοποίηση για την ανάπτυξη βλαβών και βοηθά στην ιεράρχηση των δραστηριοτήτων συντήρησης.
• Υπέρυθρη Θερμογραφία (IR σάρωση):Η θερμική απεικόνιση εντοπίζει σημεία πρόσβασης που υποδεικνύουν χαλαρές συνδέσεις, αρμούς υψηλής αντίστασης, υπερφόρτωση ή αστοχία μόνωσης. Για μετασχηματιστές-τύπου διαμερίσματος, το IR μπορεί μερικές φορές να ανιχνεύσει ανώμαλη θέρμανση των υποβαθμισμένων επαφών ή άλλες δυσλειτουργίες που προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας σε εξωτερικές επιφάνειες.
• Παρακολούθηση μερικής εκκένωσης (PD):Οι μερικές εκκενώσεις αποτελούν πρώιμους δείκτες φθοράς της μόνωσης. Η παρακολούθηση PD χρησιμοποιεί αισθητήρες για την ανίχνευση ηλεκτρικών εκκενώσεων που συμβαίνουν μέσα στο σύστημα μόνωσης του μετασχηματιστή προτού κλιμακωθούν σε πλήρεις βλάβες.

9.2 Προληπτική Συντήρηση

Η προληπτική συντήρηση ακολουθεί ένα σταθερό πρόγραμμα για την αντιμετώπιση της φυσιολογικής φθοράς.

• Τακτική δειγματοληψία και δοκιμή λαδιού:Οι δοκιμές τάσης διάσπασης μετρούν τη μονωτική αντοχή του λαδιού. χαμηλό BDV υποδηλώνει μόλυνση ή υγρασία. Η περιεκτικότητα σε υγρασία θα πρέπει να μετράται με τιτλοδότηση Karl Fischer και να διατηρείται εντός αποδεκτών ορίων.
• Επιθεώρηση δακτυλίου:Οπτική επιθεώρηση για ρωγμές, συσσώρευση βρωμιάς και ζημιές. Οι δοκιμές χωρητικότητας και μαυρίσματος δέλτα αξιολογούν την κατάσταση της μόνωσης του δακτυλίου.
• Συντήρηση αλλαγής στρόφιγγας:Για μετασχηματιστές με-ενεργοποιημένους εναλλάκτες βρύσης (OLTC), η στάθμη λαδιού πρέπει να ελεγχθεί, οι επαφές να επιθεωρηθούν για εναποθέσεις άνθρακα και να καθαριστούν και το λάδι να αντικατασταθεί εάν είναι μολυσμένο.
• Έλεγχοι στεγανότητας και ανίχνευση διαρροών:Οι διαρροές λαδιού πρέπει να εντοπίζονται και να επισκευάζονται αμέσως για να διατηρηθεί η ακεραιότητα της μόνωσης και να αποφευχθεί η μόλυνση του περιβάλλοντος.

9.3 Συχνότητες επιθεώρησης

Ενώ οι συγκεκριμένες συχνότητες εξαρτώνται από την κρισιμότητα του μετασχηματιστή και το περιβάλλον λειτουργίας, οι γενικές οδηγίες περιλαμβάνουν:

• Οπτικές επιθεωρήσεις:Μηνιαία έως τριμηνιαία, εστιάζοντας στα επίπεδα λαδιού, τις διαρροές, τον ασυνήθιστο θόρυβο και τη γενική κατάσταση
• Υπέρυθρη θερμογραφία:Ετησίως ή πιο συχνά για κρίσιμους μετασχηματιστές
• Δειγματοληψία λαδιού και DGA:Ετήσια για τυπικές εγκαταστάσεις. εξαμηνιαία-για μετασχηματιστές κρίσιμου ή μεγάλου φορτίου
• Ηλεκτρική δοκιμή (αντίσταση μόνωσης, λόγος στροφών, αντίσταση περιέλιξης):Κάθε 2 έως 5 χρόνια
• Ολοκληρωμένη αναμόρφωση:Κάθε 10 έως 15 χρόνια για μεγάλους μετασχηματιστές ισχύος

 

 

 

Οι μετασχηματιστές μέσης τάσης εξυπηρετούν ένα αξιοσημείωτα ποικίλο φάσμα εφαρμογών.

10.1 Βιομηχανικές Εγκαταστάσεις

Σε εργοστάσια και εργοστάσια παραγωγής, οι μετασχηματιστές μέσης τάσης παρέχουν ισχύ σε μεγάλους κινητήρες, μηχανήματα και εξοπλισμό που απαιτούν υψηλότερα επίπεδα τάσης για βέλτιστη απόδοση. Βιομηχανίες όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η χημική επεξεργασία, η εξόρυξη και η κατασκευή χάλυβα λειτουργούν συνήθως τα δικά τους συστήματα διανομής μέσης τάσης, με μετασχηματιστές να μειώνουν την τάση κοινής ωφέλειας στην τάση διανομής της μονάδας και πρόσθετους μετασχηματιστές να πέφτουν περαιτέρω στα επίπεδα χρήσης μηχανών.

10.2 Εμπορικά Κτίρια

Συγκροτήματα γραφείων, εμπορικά κέντρα, νοσοκομεία, ξενοδοχεία και άλλες εμπορικές εγκαταστάσεις βασίζονται σε μετασχηματιστές μέσης τάσης για φωτισμό, HVAC, ανελκυστήρες και άλλα βασικά ηλεκτρικά φορτία. Τα μεγάλα εμπορικά κτίρια λαμβάνουν συχνά κύρια υπηρεσία σε μέση τάση (συνήθως 13,8 kV ή 4,16 kV), μειώνοντας τα 480 V για διανομή σε όλο το κτίριο, με πρόσθετους μετασχηματιστές χαμηλής{4} τάσης που εξυπηρετούν φορτία 120/208 V.

10.3 Υποσταθμοί κοινής ωφέλειας

Οι ηλεκτρικές επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας χρησιμοποιούν μετασχηματιστές μέσης τάσης για να μειώσουν την τάση από τις γραμμές μεταφοράς σε χαμηλότερα επίπεδα κατάλληλα για διανομή σε οικιακούς και εμπορικούς πελάτες. Αυτοί οι μετασχηματιστές-που ανήκουν στο βοηθητικό πρόγραμμα αποτελούν τη ραχοκοκαλιά του συστήματος διανομής.

10.4 Συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας

Τα ηλιακά και τα αιολικά πάρκα ενσωματώνουν μετασχηματιστές μέσης τάσης για τη σύνδεση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο. Καθώς η ανανεώσιμη ενέργεια συνεχίζει να αυξάνεται, η ζήτηση για μετασχηματιστές μέσης τάσης που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για αυτές τις εφαρμογές-συμπεριλαμβανομένων σχεδίων που χειρίζονται αμφίδρομη ροή ισχύος και ευρείες διακυμάνσεις τάσης-έχει αυξηθεί σημαντικά.

10.5 Κέντρα δεδομένων

Τα κέντρα δεδομένων είναι από τις πιο απαιτητικές εφαρμογές για μετασχηματιστές μέσης τάσης. Απαιτούν εξαιρετικά υψηλή αξιοπιστία (συχνά N+1 ή 2N πλεονασμός), εξαιρετική ποιότητα ισχύος και υψηλή απόδοση λόγω συνεχούς λειτουργίας. Τα περισσότερα κέντρα δεδομένων χρησιμοποιούν υπηρεσία μέσης τάσης (συχνά 13,8 kV ή 15 kV) μειωμένη στα 480 V, με δευτερεύοντες μετασχηματιστές που τροφοδοτούν συστήματα UPS και μονάδες διανομής ισχύος.

10.6 Εγκαταστάσεις Υγείας

Τα νοσοκομεία και οι εγκαταστάσεις υγειονομικής περίθαλψης χρησιμοποιούν μετασχηματιστές μέσης τάσης για να τροφοδοτούν πολλαπλούς πίνακες χαμηλής-τάσης, με χωριστούς μετασχηματιστές που εξυπηρετούν κρίσιμους κλάδους, κλάδους ασφάλειας ζωής και κανονικούς κλάδους τροφοδοσίας για να διασφαλίζουν ότι τα βασικά συστήματα παραμένουν λειτουργικά σε κάθε σενάριο αστοχίας.

 

 

 

Η εργασία με μετασχηματιστές μέσης τάσης απαιτεί αυστηρή τήρηση των πρωτοκόλλων ασφαλείας. Αυτές οι συσκευές φέρουν υψηλές τάσεις και ενέχουν σημαντικούς ηλεκτρικούς κινδύνους:

• Μόνο εξειδικευμένο προσωπικόπρέπει να χειρίζονται ή να εργάζονται σε μετασχηματιστές μέσης τάσης.
• Πάντα να απο-ενεργοποιείτετον μετασχηματιστή και επαληθεύστε τη μηδενική τάση πριν πλησιάσετε.
• Γείωση του μετασχηματιστήμετά την απ-απενεργοποίηση και πριν από την εκτέλεση οποιασδήποτε εργασίας.
• Διατηρήστε τις κατάλληλες αποστάσεις προσέγγισηςμε βάση το επίπεδο τάσης.
• Χρησιμοποιήστε κατάλληλο ατομικό προστατευτικό εξοπλισμό (ΜΑΠ)ονομαστική για το διαθέσιμο ρεύμα σφάλματος.
• Ακολουθήστε τις διαδικασίες lockout/tagout (LOTO).όπως απαιτείται από τους κανονισμούς OSHA.

 

 

 

Το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας ενός μετασχηματιστή μέσης τάσης εκτείνεται πολύ πέρα ​​από την αρχική τιμή αγοράς.

Αρχικό κόστος προμήθειαςποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τον τύπο: οι μετασχηματιστές ξηρού-τύπου κοστίζουν συνήθως περισσότερο εκ των προτέρων από τις μονάδες-βυθισμένες σε υγρό της ίδιας βαθμολογίας, ενώ οι μονάδες υψηλής απόδοσης-έχουν υψηλότερη τιμή από τα τυπικά μοντέλα-απόδοσης.

Κόστος εγκατάστασηςπεριλαμβάνουν την προετοιμασία του χώρου, το μαξιλάρι από σκυρόδεμα ή το θεμέλιο, τις ηλεκτρικές συνδέσεις, τη γείωση, την πυροπροστασία (εάν απαιτείται) και ζητήματα απελευθέρωσης για μελλοντική πρόσβαση.

Απώλειες ενέργειαςαντιπροσωπεύουν το σημαντικότερο τρέχον λειτουργικό κόστος. Δεν υπάρχουν-απώλειες φορτίου (απώλειες πυρήνων) 24 ώρες την ημέρα, 365 ημέρες το χρόνο, ανεξάρτητα από το φορτίο. Οι απώλειες φορτίου (απώλειες χαλκού) ποικίλλουν ανάλογα με το τετράγωνο του ρεύματος φορτίου. Για έναν μετασχηματιστή που λειτουργεί συνεχώς με μέτρια φορτία, οι απώλειες ενέργειας για διάρκεια ζωής 30- ετών μπορεί να υπερβούν κατά πολύ την αρχική τιμή αγοράς. Η επένδυση σε έναν μετασχηματιστή υψηλότερης απόδοσης με χαμηλότερες απώλειες συχνά αποφέρει ελκυστικές οικονομικές αποδόσεις.

Κόστος συντήρησηςεξαρτώνται από τον τύπο του μετασχηματιστή (το υγρό-βυθισμένο απαιτεί τακτική δοκιμή λαδιού, ο ξηρός-τύπος απαιτεί λιγότερα), τη θέση εγκατάστασης και την κρισιμότητα των λειτουργιών.

Κόστος απόρριψης-του-του τέλους ζωής ή ανακύκλωσηςμπορεί να είναι σημαντικός για μετασχηματιστές-βυθισμένους σε λάδι, ιδιαίτερα εκείνους που περιέχουν μολυσμένο λάδι ή πολυχλωριωμένα διφαινύλια (PCB) σε παλαιότερες μονάδες.

 

 

 

Οι μετασχηματιστές μέσης τάσης είναι μια διαρκής τεχνολογία-παλιά ενός αιώνα, αλλά συνεχώς εξελίσσεται για να ανταποκρίνεται στις νέες απαιτήσεις για απόδοση, αξιοπιστία και περιβαλλοντική απόδοση. Είναι η σύνδεση μεταξύ του δικτύου μετάδοσης υψηλής-τάσης και των συστημάτων χαμηλής-τάσης που τροφοδοτούν τον κόσμο μας.

Η επιλογή, η εγκατάσταση και η συντήρηση αυτών των μετασχηματιστών είναι μια πολυτομεακή επιχείρηση που απαιτεί κατανόηση των ηλεκτρικών αρχών, των κωδίκων ασφαλείας, των μηχανικών παραμέτρων και των οικονομικών-εμπορευμάτων. Ένας καλά επιλεγμένος, σωστά τοποθετημένος και επιμελώς συντηρημένος μετασχηματιστής μέσης τάσης-θα παρέχει αξιόπιστες υπηρεσίες για δεκαετίες. Μια μικρού μεγέθους, εσφαλμένη εφαρμογή ή παραμελημένη μονάδα μπορεί να γίνει μια επίμονη πηγή προβλημάτων, αυξάνοντας το κόστος ενέργειας, διαταράσσοντας τις λειτουργίες και δημιουργώντας κινδύνους για την ασφάλεια.

Είτε σχεδιάζετε μια νέα εγκατάσταση, αντικαθιστάτε παλιό εξοπλισμό ή απλώς επιδιώκετε να κατανοήσετε καλύτερα τους μετασχηματιστές στο υπάρχον σύστημά σας, οι αρχές που περιγράφονται σε αυτόν τον οδηγό παρέχουν ένα πλαίσιο για τη λήψη ορθών αποφάσεων. Δώστε προσοχή στις λεπτομέρειες-τις ονομασίες τάσης, την ομάδα διανυσμάτων, την κατηγορία μόνωσης, τα διάκενα, το χρονοδιάγραμμα συντήρησης-και ο μετασχηματιστής μέσης τάσης θα σας ανταμείψει με αθόρυβη, αποτελεσματική, μακροχρόνια εξυπηρέτηση.