Trasformatore in olio di efficienza energetica secondaria: analisi completa dei trasformatori di distribuzione a risparmio energetico della serie S20

Sullo sfondo della promozione della strategia nazionale "dual carbon" e della piena attuazione della norma GB 20052-2020 "Limiti di efficienza energetica e livelli di efficienza energetica dei trasformatori di potenza", i trasformatori immersi in olio di efficienza energetica secondaria (tipicamente rappresentati dalla serie S20) sono diventati la scelta principale per la distribuzione di energia industriale, la trasformazione della rete di distribuzione urbana e nuovi progetti energetici. Rispetto al tradizionale tipo S11/S13, offre prestazioni eccezionali nel ridurre le perdite a vuoto e a carico, tenendo conto dei vantaggi del risparmio energetico e del ritorno dell'investimento.

I. Cos'è un trasformatore in olio ad efficienza energetica secondaria?

I trasformatori immersi in olio di efficienza energetica secondaria si riferiscono a trasformatori di distribuzione trifase immersi in olio che rispettano i limiti di efficienza energetica secondaria in GB 20052-2020 (e la versione aggiornata GB 20052-2024). I modelli comuni sono contrassegnati come serie S20-M (completamente sigillata), con capacità che vanno da 30 a 2500 kVA. I livelli di tensione sono solitamente 6/10/20 kV (lato alta tensione) e 0,4 kV (lato bassa tensione).

• Efficienza energetica di primo livello: perdita minima (come la lega amorfa S22/SH21), adatta per scenari a pieno carico a lungo termine

• Efficienza energetica di livello 2: rispetto all'efficienza energetica di livello 3, la perdita a vuoto è ridotta dal 10% al 20% circa e la perdita a carico è ridotta dal 5% al ​​15% circa – ovvero la serie S20

• Efficienza energetica di livello 3: soglia minima di ingresso nel mercato (come parte S13), i nuovi progetti saranno gradualmente eliminati

Essendo un'apparecchiatura elettrica ad alta efficienza e risparmio energetico, la progettazione strutturale del trasformatore a bagno d'olio ad efficienza energetica secondaria è stata ottimizzata per soddisfare i requisiti dei nuovi standard di efficienza energetica. Questo tipo di trasformatore è composto principalmente da componenti principali come nucleo, avvolgimenti e serbatoi dell'olio. Ogni componente è complementare a vicenda nella funzione e garantisce congiuntamente il funzionamento efficiente del trasformatore. Come nucleo del circuito magnetico del trasformatore, il nucleo di ferro è solitamente costituito da fogli di acciaio laminato al silicio con elevata permeabilità magnetica. La sua forma in sezione ha un'influenza importante sui parametri prestazionali elettrici e strutturali del trasformatore. L'avvolgimento è la parte circuitale del trasformatore. Realizza la funzione di conversione della tensione attraverso un rapporto spire ragionevole. Il materiale e la disposizione del filo influiscono direttamente sulla perdita di carico e sull'impedenza di cortocircuito del trasformatore. Il serbatoio dell'olio non solo fornisce supporto meccanico al trasformatore, ma svolge anche funzioni di dissipazione del calore e isolamento attraverso il flusso circolante di olio isolante interno, garantendo così la stabilità e l'affidabilità del trasformatore nel funzionamento a lungo termine.

II. Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento del trasformatore immerso in olio ad alta efficienza energetica a due stadi si basa sulla legge dell'induzione elettromagnetica e la conversione tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita viene ottenuta attraverso l'azione di un campo magnetico alternato. Quando l'avvolgimento primario è collegato all'alimentazione CA, la corrente alternata generata nell'avvolgimento ecciterà il flusso magnetico alternato nel nucleo, inducendo così una forza elettromotrice indotta nell'avvolgimento secondario. Questo processo di induzione elettromagnetica consente al trasformatore di regolare in modo flessibile il livello di tensione senza modificare la quantità totale di energia elettrica, soddisfacendo così le esigenze di diversi scenari applicativi.

Nei trasformatori in olio il ruolo dell’olio isolante è cruciale. Da un lato, l'olio isolante, essendo un eccellente mezzo isolante, può isolare efficacemente la parte ad alta tensione tra l'avvolgimento e il nucleo, prevenendo guasti alle apparecchiature dovuti a guasti elettrici; d'altro canto, l'olio isolante toglie il calore generato durante il funzionamento del trasformatore attraverso la convezione naturale o la circolazione forzata, garantendo che l'apparecchiatura mantenga un ragionevole intervallo di aumento della temperatura sotto il carico nominale. Questo efficiente meccanismo di dissipazione del calore non solo prolunga la durata del trasformatore, ma ne garantisce anche il funzionamento stabile in condizioni di carico elevato. Pertanto, il trasformatore a bagno d'olio con efficienza energetica secondaria raggiunge l'obiettivo di alta efficienza e risparmio energetico attraverso una progettazione scientifica e ragionevole, sfruttando appieno il principio dell'induzione elettromagnetica e le caratteristiche dell'olio isolante.

III. Caratteristiche prestazionali

1. Prestazioni di dissipazione del calore

I trasformatori immersi in olio presentano vantaggi significativi nelle prestazioni di dissipazione del calore grazie al loro esclusivo meccanismo di dissipazione del calore. Durante il funzionamento, l'olio del trasformatore assorbe il calore generato dagli avvolgimenti e dal nucleo attraverso la convezione naturale o la circolazione forzata e lo trasferisce alla superficie del serbatoio dell'olio per la dissipazione del calore. Questo efficiente metodo di dissipazione del calore non solo può controllare efficacemente l'aumento della temperatura all'interno del trasformatore, ma anche prolungare la durata dell'apparecchiatura. La ricerca mostra che l'efficienza di dissipazione del calore dei trasformatori immersi in olio è superiore di circa il 20% rispetto a quella dei trasformatori a secco, principalmente a causa dell'elevata capacità termica e dell'elevata conduttività termica dell'olio isolante.

Inoltre, il design della dissipazione del calore del trasformatore in olio a efficienza energetica secondaria è stato ulteriormente ottimizzato. Ad esempio, la capacità di dissipazione del calore viene notevolmente migliorata aumentando la superficie del serbatoio del carburante, predisponendo dissipatori di calore o adottando un sistema di raffreddamento ad aria forzata. Soprattutto in condizioni operative di carico elevato, queste misure di ottimizzazione garantiscono che la temperatura interna del trasformatore sia sempre mantenuta entro un intervallo ragionevole, evitando così il rischio di degrado delle prestazioni o guasti dovuti al surriscaldamento. Pertanto, i vantaggi dei trasformatori in olio ad efficienza energetica secondaria in termini di prestazioni di dissipazione del calore hanno gettato solide basi per la loro ampia applicazione nei settori industriale ed edilizio.

2. Struttura del serbatoio del carburante ondulato completamente sigillata

Adotta un serbatoio dell'olio ondulato completamente sigillato (senza conservatore dell'olio o conservatore dell'olio interno). La lamiera ondulata si espande e si contrae automaticamente al variare della temperatura dell'olio per compensare il volume dell'olio e isolare le infiltrazioni di aria e umidità, riducendo l'invecchiamento dell'olio isolante. Fondamentalmente non richiede manutenzione e ha una durata prevista fino a 30 anni.

3. Alta affidabilità e sicurezza

• Impedenza di cortocircuito: 4% (≤630kVA) / 4,5%～6% (grande capacità)

• Resistenza al cortocircuito migliorata: supporto dell'avvolgimento e strutture delle piastre di collegamento migliorati per resistere alla forza elettrica di cortocircuito di livello 31,5 kA

• Valvola limitatrice di pressione standard, interfaccia relè gas, termometro di segnalazione

• Livello di protezione IP44 (tipo per esterni), il rumore è solitamente ≤50 dB(A), adatto per aree residenziali/edifici commerciali

IV. Parametri tecnici tipici (estratto dalla serie S20 10kV)

Nota: i valori specifici sono leggermente diversi a causa del processo del produttore e sono soggetti al rapporto di prova del tipo.

V. Principali scenari applicativi

• Imprese industriali/parchi industriali: funzionamento continuo, tasso di carico elevato (>30%), ciclo di recupero breve per il risparmio energetico

• Complesso commerciale/edificio adibito ad uffici: silenzioso, completamente sigillato ed esente da manutenzione, adatto per seminterrato o scatola trasformatore esterna

• Rinnovo rete elettrica urbana/vecchie aree residenziali: sostituzione trasformatori S7/S9/S11 ad alte perdite per ridurre le perdite sulla linea della rete di distribuzione

• Nuove strutture di supporto energetico: potenziamento fotovoltaico distribuito e accesso al sistema di accumulo dell'energia (sono disponibili alcuni progetti antiarmonici personalizzabili)

• Trasformazione della rete elettrica rurale/area di Taiwan: effetto evidente nella riduzione delle perdite in assenza di carico e nel miglioramento della qualità dell'alimentazione elettrica

VI. Suggerimenti per la selezione

• Si preferisce S20 (efficienza energetica di livello 2): nuovi progetti, funzionamento a lungo termine (>10 ore/giorno), distribuzione di energia industriale/commerciale

• S13 (efficienza energetica di livello 3): consigliato solo per consumi energetici temporanei a breve termine o scenari di budget estremamente bassi

• Le nuove installazioni di categoria S11 e inferiore sono vietate: non soddisfano più i requisiti nazionali di accesso all'efficienza energetica

• Se il progetto dispone di fondi sufficienti, funzionamento annuale >8000 ore e tasso di carico elevato, è possibile valutare l'efficienza energetica di primo livello S22 o la lega amorfa SH15

VII. Conclusione

Essendo un'apparecchiatura importante nei moderni sistemi di alimentazione, i trasformatori in olio ad efficienza energetica secondaria sono stati ampiamente utilizzati in molti campi grazie alle loro significative caratteristiche di risparmio energetico e alle prestazioni operative affidabili. Questo articolo fornisce un'analisi approfondita delle sue caratteristiche tecniche, tra cui struttura e principio di funzionamento, vantaggi in termini di efficienza energetica e caratteristiche prestazionali, rivelando le sue eccezionali prestazioni nell'ottimizzazione delle perdite a vuoto e a carico, nonché le tecnologie chiave per ottenere un miglioramento dell'efficienza energetica attraverso nuovi materiali di base e un design ottimizzato degli avvolgimenti. In termini di applicazione, il trasformatore ha mostrato una buona applicabilità nell'alimentazione ad alta potenza nel campo industriale, nell'adattamento ad ambienti industriali speciali, nell'alimentazione elettrica in grattacieli e complessi commerciali nel campo dell'edilizia e in altri scenari come il trasporto e l'estrazione di energia.

Tuttavia, i trasformatori immersi in olio ad efficienza energetica secondaria devono ancora affrontare alcune sfide in termini di adattabilità ambientale, costi di manutenzione e aggiornamenti tecnologici. In risposta a questi problemi, questo articolo propone misure di progettazione e protezione ottimizzate per migliorare l’adattabilità ambientale, tecnologie di monitoraggio delle condizioni e strategie di ottimizzazione della gestione della manutenzione per ridurre i costi di manutenzione, nonché investimenti in ricerca e sviluppo e metodi di risposta agli aggiornamenti standard per stare al passo con lo sviluppo tecnologico. In futuro, si prevede che questo trasformatore persegua ulteriormente standard di efficienza energetica più elevati attraverso una profonda integrazione con le reti intelligenti e l’applicazione di nuovi materiali e tecnologie, svolgendo così un ruolo più critico nel sistema energetico e promuovendo lo sviluppo sostenibile del settore energetico.