¿Cuáles son las características técnicas y aplicaciones de los transformadores de distribución monofásicos?
1 Características Técnicas de los Transformadores Monofásicos
A partir de la práctica operativa de las redes de distribución extranjeras, se sabe que los transformadores monofásicos se aplican bastante ampliamente. En comparación con los transformadores trifásicos, tienen ventajas únicas, que se reflejan específicamente en lo siguiente:
1.1 Estructura Simple
Esta característica hace que, al utilizar los mismos materiales, para transformadores monofásicos de la misma capacidad, sus pérdidas en vacío sean menores que las de los transformadores trifásicos. Hasta cierto punto, son más capaces de satisfacer las necesidades de ahorro y reducción del consumo de energía. Tomando como ejemplo los transformadores comúnmente utilizados con capacidades de 100 kVA y 50 kVA, la comparación de diversos indicadores se muestra en la Tabla 1.
Calculado sobre 8,000 horas anuales de funcionamiento, un transformador de distribución monofásico D10 de 100 kVA tiene 1,280 kWh menos de pérdidas en vacío que una unidad trifásica S9 de la misma capacidad; uno de 50 kVA ahorra 880 kWh. En promedio, los transformadores monofásicos reducen las pérdidas en vacío en más de un 50% en comparación con los tipos trifásicos.
1.2 Compacto y Fácil de Instalar
Esto permite que las líneas de baja tensión lleguen más cerca a los puntos de carga, reduciendo el radio de suministro y limitando las pérdidas en la red de distribución. Las pérdidas en la red de baja tensión alguna vez representaron una gran parte de las pérdidas totales de la red. Antes de la renovación, las pérdidas en líneas aéreas de baja tensión urbanas eran del 7% al 12% (incluso superaban el 30% en algunas regiones). Después de la actualización de las redes rurales, se fijó un objetivo de pérdida integral del 12%, y las ciudades ahora se acercan a este objetivo.
Dos causas principales impulsan las altas pérdidas en baja tensión: 1) Los transformadores trifásicos para el suministro residencial/comercial mantienen las fuentes de energía lejos de las cargas, aumentando los radios de suministro y las pérdidas en línea; las corrientes desequilibradas también incrementan las pérdidas en el transformador. 2) Los grandes radios permiten el robo de electricidad, complicando la gestión. Los transformadores monofásicos colocan las fuentes de energía cerca de los usuarios, reduciendo las distancias de suministro, las pérdidas en línea y los riesgos de robo.
El modelo de suministro "pequeña capacidad, puntos densos, radio corto", ampliamente utilizado en las redes de baja tensión, reduce eficazmente las pérdidas, y los transformadores monofásicos son clave para implementar este enfoque.
1.3 Ahorro Relativo en el Costo del Proyecto
Para el suministro de energía con transformadores monofásicos, las ramas de alta tensión utilizan una instalación de dos cables, y las líneas de baja tensión usan dos o tres cables. En contraste, los transformadores trifásicos requieren una instalación de tres cables de alta tensión y cuatro cables de baja tensión. Por lo tanto, las configuraciones monofásicas ahorran cables y reducen el uso de fusibles de caída, pararrayos y hardware. Estadísticas incompletas muestran: los sistemas monofásicos reducen aproximadamente un 10% de los costos de las líneas de alta tensión y un 15% de los costos de los proyectos de líneas de baja tensión.
1.4 Mejora de la Fiabilidad del Suministro Eléctrico
Los transformadores monofásicos son adecuados para escenarios de pequeña capacidad y puntos densos, aumentando la cobertura de los usuarios. Estadísticamente, una base de usuarios mayor eleva los coeficientes de fiabilidad. Para la gestión, el racionamiento a través de la desconexión de circuitos individuales de transformadores reduce las interrupciones y disminuye los impactos en la fiabilidad. Estructuralmente, los transformadores trifásicos con bobinas integradas corren el riesgo de apagones totales si falla una bobina, causando apagones en áreas enteras.
Técnicamente, los transformadores trifásicos (Y/Y₀ o △/Y₀) enfrentan anomalías de voltaje en otras fases cuando se quema un fusible. Sus sistemas de baja tensión de tres hilos y cuatro hilos de 380V/220V corren el riesgo de sobretensiones repentinas debido a cortocircuitos en el neutro, interrumpiendo la iluminación y dañando equipos. Los transformadores monofásicos evitan en gran medida estos problemas, asegurando la fiabilidad.
2 Aplicaciones de los Transformadores Monofásicos
2.1 Ámbito de Uso
Basándose en las características técnicas de los transformadores monofásicos, se recomienda su aplicación en los siguientes escenarios:
2.1.1 Áreas Residenciales en Comunidades Urbanas
Actualmente, el consumo de electricidad en las áreas residenciales urbanas es principalmente para iluminación y potencia monofásica (por ejemplo, electrodomésticos como aires acondicionados y refrigeradores), cumpliendo con los requisitos de "suministro de alta tensión a hogares". Según los diseños de viviendas y la distribución de la carga, adopte un modelo de suministro de "un transformador monofásico por edificio" o "uno por unidad" para minimizar el radio de suministro de la red de baja tensión (idealmente dentro de 100 metros), mejorando la eficiencia y calidad del suministro de energía.
2.1.2 Iluminación Rural y Uso de Pequeña Escala
La iluminación rural y el uso de pequeña escala (por ejemplo, maquinaria agrícola pequeña, equipos de riego) presentan una carga baja y fluctuaciones mínimas, lo que los hace adecuados para transformadores monofásicos de pequeña capacidad. Una implementación adecuada de dichos transformadores puede coincidir precisamente con las demandas de carga, reducir los costos de suministro de energía y garantizar un suministro eléctrico estable.
2.1.3 Comunidades y Mercados con Robo Severo de Electricidad
La implementación de "suministro de alta tensión a hogares" puede eliminar el robo de electricidad causado por cableado de baja tensión ilegal. Además, facilita la evaluación de pérdidas en línea por línea y transformador por transformador, permitiendo un monitoreo preciso de las pérdidas de consumo de energía y fortaleciendo la gestión de energía.
2.1.4 Optimización del Suministro de Energía para Usuarios Industriales de Pequeña Escala
Promueva la transición de los usuarios industriales de pequeña escala de "transformadores compartidos" a "transformadores dedicados". Con la popularización de los transformadores monofásicos, los pequeños usuarios industriales y comerciales pueden instalar unidades dedicadas. Guiados por las políticas de electricidad y precios, la adopción de transformadores dedicados se volverá más prevalente, separando la iluminación residencial de la potencia trifásica industrial. Reemplazar transformadores trifásicos con monofásicos donde sea apropiado puede reducir las pérdidas en líneas de baja tensión públicas y transformadores compartidos, equilibrar las cargas y mejorar la estabilidad de voltaje en el extremo del usuario.
2.2 Problemas al Usar Transformadores Monofásicos
Actualmente, la mayoría de los transformadores de distribución monofásicos utilizan láminas de silicio de acero de alta calidad (recocido) como material de núcleo, fabricados mediante tecnología de núcleo enrollado. Sus pérdidas en vacío/carga y ruido de operación son mucho menores que las de los transformadores trifásicos de tipo S9.
Con la etiqueta de grupo de conexión I/I₀, hay dos métodos de cableado principales:
Tres tomas (lado de baja tensión): Un solo devanado con una toma central a tierra, formando dos devanados. Relación de voltaje: 10 kV/0.22 kV. Cableado: Ver Figura 1 (a₁, a₂ = cables de fase; x = neutro).
Cuatro tomas (lado de baja tensión): Dos devanados (sin conexión eléctrica entre ellos). Relación de voltaje (alta a baja): 10 kV/0.22 kV. Cableado: Ver Figura 2.
En la figura, a1, a2 son cables de fase, y x1, x2, x son cables neutros. Al usar transformadores monofásicos, tenga en cuenta lo siguiente:
Para el suministro de energía, el lado de baja tensión generalmente utiliza una configuración de tres cables. Tome x1/x2/x como el cable neutro (debe estar conectado a tierra de manera confiable). a1 ，a2 (cables de fase) no deben ser paralelos; distribuya uniformemente las cargas para minimizar la corriente neutra en la toma de baja tensión y reducir las pérdidas.
Para el suministro de baja tensión, utilice el sistema TT (interruptor de neutro controlable) o TN (interruptor de neutro no controlable).
Seleccione la toma de alta tensión según las corrientes trifásicas de salida de 10 kV de la subestación. Las corrientes desequilibradas aumentan las pérdidas del transformador principal, causan tensión de secuencia negativa y ponen en riesgo la operación incorrecta de la protección. Primero mida las corrientes de salida de 10 kV y configure la toma según las reglas de equilibrio de corrientes.
Los transformadores monofásicos son adecuados para cargas monofásicas. Realice un estudio de la composición y disposición de la carga; separe las cargas monofásicas y trifásicas, coloque los transformadores cerca de las cargas para aumentar la eficiencia.
Realice un pronóstico de la carga; elija un transformador de 20-100 kVA (rango típico).
Para el suministro de baja tensión, instale interruptores de sección/polo de conexión (si es posible) para mejorar la fiabilidad.
