Quali sono le caratteristiche tecniche e le applicazioni dei trasformatori di distribuzione monofase?
1 Caratteristiche tecniche dei trasformatori monofase
Dalla pratica operativa delle reti di distribuzione estere, si sa che i trasformatori monofase sono ampiamente utilizzati. In confronto ai trasformatori trifase, presentano vantaggi unici, che si manifestano specificatamente come segue:
1.1 Struttura semplice
Questa caratteristica fa sì che, utilizzando gli stessi materiali, per i trasformatori monofase con la stessa capacità, le perdite a vuoto siano inferiori rispetto a quelle dei trasformatori trifase. Fino a un certo punto, sono in grado di soddisfare meglio le esigenze di risparmio energetico e riduzione del consumo. Prendendo come esempio i trasformatori comunemente utilizzati con capacità di 100 kVA e 50 kVA, il confronto tra vari indicatori è mostrato nella Tabella 1.
Calcolato su 8.000 ore di funzionamento annuale, un trasformatore di distribuzione monofase D10 da 100 kVA ha 1.280 kWh di perdite a vuoto in meno rispetto a un'unità trifase S9 della stessa capacità; uno da 50 kVA ne risparmia 880 kWh. In media, i trasformatori monofase riducono le perdite a vuoto di oltre il 50% rispetto ai tipi trifase.
1.2 Compatti e facili da installare
Questo consente alle linee a bassa tensione di raggiungere i punti di carico più vicini, riducendo il raggio di alimentazione e limitando le perdite della rete di distribuzione. Le perdite della rete a bassa tensione una volta rappresentavano una grande parte delle perdite totali della rete. Prima della ristrutturazione, le perdite delle linee aeree a bassa tensione nelle aree urbane oscillavano tra il 7% e il 12% (anche superiore al 30% in alcune regioni). Dopo l'aggiornamento della rete rurale, è stato stabilito un obiettivo di perdite complessive del 12%, con le città che ora lo stanno avvicinando.
Le principali cause delle alte perdite a bassa tensione sono: 1) I trasformatori trifase per l'approvvigionamento residenziale/commerciale mantengono le fonti di energia lontane dai carichi, aumentando i raggi di alimentazione e le perdite di linea; le correnti sbilanciate aggiungono anche perdite al trasformatore. 2) I grandi raggi consentono il furto di elettricità, complicando la gestione. I trasformatori monofase posizionano le fonti di energia vicino agli utenti, riducendo le distanze di alimentazione, le perdite di linea e i rischi di furto.
Il modello di approvvigionamento "piccola capacità, punti densi, raggio corto", ampiamente utilizzato nelle reti a bassa tensione, riduce efficacemente le perdite - i trasformatori monofase sono fondamentali per implementare questo approccio.
1.3 Risparmio relativo sui costi del progetto
Per l'alimentazione tramite trasformatore monofase, le diramazioni ad alta tensione utilizzano un'installazione a due fili, e le linee a bassa tensione utilizzano due o tre fili. In contrasto, i trasformatori trifase richiedono un'installazione a tre fili ad alta tensione e a quattro fili a bassa tensione. Pertanto, le configurazioni monofase risparmiano cavi e riducono l'uso di fusibili di caduta, parafulguri e hardware. Statistiche incomplete mostrano: i sistemi monofase riducono di circa il 10% i costi delle linee ad alta tensione e del 15% i costi dei progetti di linee a bassa tensione.
1.4 Miglioramento della affidabilità dell'approvvigionamento elettrico
I trasformatori monofase si adattano bene a scenari di piccola capacità e punti densi, aumentando la copertura degli utenti. Statisticamente, una base utente più ampia eleva i coefficienti di affidabilità. Per la gestione, la razionamento tramite l'estrarre circuiti da un singolo trasformatore riduce le interruzioni e diminuisce l'impatto sulla affidabilità. Strutturalmente, i trasformatori trifase con bobine integrate rischiano guasti completi se una bobina fallisce, causando blackout nell'area.
Tecnicamente, i trasformatori trifase (Y/Y₀ o △/Y₀) affrontano anomalie di tensione nelle altre fasi quando salta un fusibile. I loro sistemi a tre fili e quattro fili a bassa tensione (380V/220V) rischiano surriscaldamenti improvvisi a causa di cortocircuiti neutrali, interrompendo l'illuminazione e danneggiando le apparecchiature. I trasformatori monofase evitano in gran parte questi problemi, garantendo affidabilità.
2 Applicazioni dei trasformatori monofase
2.1 Ambito di utilizzo
In base alle caratteristiche tecniche dei trasformatori monofase, la loro applicazione è consigliata nei seguenti scenari:
2.1.1 Aree residenziali nelle comunità urbane
Attualmente, il consumo di elettricità nelle aree residenziali urbane è principalmente per l'illuminazione e l'energia monofase (ad esempio, elettrodomestici come condizionatori e frigoriferi), soddisfacendo i requisiti per l'"alimentazione ad alta tensione a domicilio". In base alla progettazione degli edifici e alla distribuzione del carico, adottare un modello di alimentazione di "un trasformatore monofase per edificio" o "uno per unità" per minimizzare il raggio di fornitura della rete a bassa tensione (ideale entro 100 metri), migliorando l'efficienza e la qualità dell'approvvigionamento elettrico.
2.1.2 Illuminazione rurale e uso di piccola scala
L'illuminazione rurale e l'uso di piccola scala (ad esempio, piccole macchine agricole, attrezzature di irrigazione) presentano carichi bassi e minime fluttuazioni, rendendoli adatti a trasformatori monofase di piccola capacità. Un'adeguata distribuzione di tali trasformatori può soddisfare con precisione le esigenze di carico, ridurre i costi di fornitura e garantire un approvvigionamento elettrico stabile.
2.1.3 Comunità e mercati con alto tasso di furto di elettricità
L'implementazione dell'"alimentazione ad alta tensione a domicilio" può eliminare il furto di elettricità causato da cablaggi a bassa tensione illegali. Inoltre, facilita la valutazione delle perdite di linea per linea e trasformatore, permettendo il monitoraggio accurato delle perdite di consumo e rinforzando la gestione dell'energia.
2.1.4 Ottimizzazione dell'approvvigionamento per utenti industriali di piccola scala
Promuovere la transizione degli utenti industriali di piccola scala da "trasformatori condivisi" a "trasformatori dedicati". Con la diffusione dei trasformatori monofase, gli utenti industriali e commerciali di piccole dimensioni possono installare unità dedicate. Guidati dalle politiche elettriche e tariffarie, l'adozione di trasformatori dedicati diventerà più diffusa, separando l'illuminazione residenziale dalla potenza industriale trifase. Sostituire i trasformatori trifase con quelli monofase dove appropriato può ridurre le perdite nelle linee a bassa tensione pubbliche e nei trasformatori condivisi, bilanciare i carichi e migliorare la stabilità della tensione all'utente finale.
2.2 Problemi nell'utilizzo dei trasformatori monofase
Attualmente, la maggior parte dei trasformatori di distribuzione monofase utilizza lamiere di silicio a freddo di alta qualità (annealate) come materiale del nucleo, prodotte mediante tecnologia a nucleo avvolto. Le loro perdite a vuoto/carico e il rumore di funzionamento sono molto inferiori a quelli dei trasformatori trifase di tipo S9.
Con il gruppo di connessione etichettato I/I₀, ci sono due principali metodi di cablaggio:
Tre prese (lato a bassa tensione): un singolo avvolgimento con una presa centrale collegata a terra, formando due avvolgimenti. Rapporto di tensione: 10 kV/0.22 kV. Cablaggio: vedere Figura 1 (a₁, a₂ = fili di fase; x = neutro).
Quattro prese (lato a bassa tensione): doppio avvolgimento (nessuna connessione elettrica tra di loro). Rapporto di tensione (alta-bassa): 10 kV/0.22 kV. Cablaggio: vedere Figura 2.
Nella figura, a1, a2 sono i fili di fase, e x1, x2, x sono i fili neutri. Quando si utilizzano i trasformatori monofase, notare quanto segue:
Per l'alimentazione, il lato a bassa tensione utilizza solitamente una configurazione a tre fili. Prendere x1/x2/x come filo neutro (deve essere collegato a terra in modo affidabile). a1 ，a2 (fili di fase) non possono essere paralleli; distribuire uniformemente i carichi per minimizzare la corrente neutra alla presa a bassa tensione e ridurre le perdite.
Per l'alimentazione a bassa tensione, utilizzare il sistema TT (interruttore neutro controllabile) o TN (interruttore neutro non controllabile).
Selezionare la presa ad alta tensione in base alle correnti trifase in uscita della sottostazione. Le correnti sbilanciate aumentano le perdite del trasformatore principale, causano tensioni di sequenza negativa e rischiano malfunzionamenti della protezione. Misurare prima le correnti in uscita a 10 kV e impostare la presa secondo le regole di bilanciamento delle correnti.
I trasformatori monofase sono adatti a carichi monofase. Effettuare un sondaggio sulla composizione e disposizione del carico; separare i carichi monofase e trifase, posizionare i trasformatori vicino ai carichi per aumentare l'efficienza.
Effettuare previsioni del carico; scegliere un trasformatore da 20-100 kVA (gamma tipica).
Per l'alimentazione a bassa tensione, installare interruttori sezionali o di collegamento (se possibile) per migliorare la affidabilità.
