Quais são as características técnicas e aplicações dos transformadores de distribuição monofásicos?
1 Características Técnicas dos Transformadores Monofásicos
A partir da prática operacional das redes de distribuição estrangeiras, sabe-se que os transformadores monofásicos são bastante amplamente aplicados. Em comparação com os transformadores trifásicos, eles têm vantagens únicas, que se refletem especificamente nos seguintes aspectos:
1.1 Estrutura Simples
Esta característica faz com que, ao usar os mesmos materiais, para transformadores monofásicos com a mesma capacidade, suas perdas a vazio sejam menores do que as dos transformadores trifásicos. Em certa medida, eles são mais capazes de atender às necessidades de economia e redução de consumo de energia. Tomando como exemplo os transformadores comumente utilizados com capacidades de 100 kVA e 50 kVA, a comparação de vários indicadores é mostrada na Tabela 1.
Calculado sobre 8.000 horas de operação anuais, um transformador de distribuição monofásico D10 de 100 kVA tem 1.280 kWh menos de perda a vazio do que uma unidade trifásica S9 de mesma capacidade; um de 50 kVA economiza 880 kWh. Em média, os transformadores monofásicos reduzem as perdas a vazio em mais de 50% em comparação com os tipos trifásicos.
1.2 Compacto e Fácil de Instalar
Isso permite que as linhas de baixa tensão cheguem mais perto dos pontos de carga, reduzindo o raio de fornecimento e contendo as perdas da rede de distribuição. As perdas da rede de baixa tensão já representavam uma grande parcela das perdas totais da rede. Antes da renovação, as perdas nas linhas aéreas de baixa tensão urbanas variavam de 7% a 12% (em algumas regiões, até mais de 30%). Após as atualizações da rede rural, foi estabelecido um objetivo de perda abrangente de 12%, com as cidades agora se aproximando disso.
Duas causas principais impulsionam as altas perdas de baixa tensão: 1) Os transformadores trifásicos para fornecimento residencial/comercial mantêm as fontes de energia longe das cargas, aumentando os raios de fornecimento e as perdas de linha; as correntes desequilibradas também aumentam as perdas no transformador. 2) Grandes raios permitem o furto de eletricidade, complicando a gestão. Os transformadores monofásicos colocam as fontes de energia perto dos usuários, reduzindo as distâncias de fornecimento, as perdas de linha e os riscos de furto.
O modelo de fornecimento "pequena capacidade, pontos densos, raio curto", amplamente utilizado nas redes de baixa tensão, reduz efetivamente as perdas - os transformadores monofásicos são fundamentais para implementar essa abordagem.
1.3 Economia Relativa no Custo do Projeto
Para o fornecimento de energia por transformadores monofásicos, as ramificações de alta tensão usam a montagem de dois fios, e as linhas de baixa tensão usam dois ou três fios. Em contraste, os transformadores trifásicos requerem a montagem de três fios de alta tensão e quatro fios de baixa tensão. Portanto, as configurações monofásicas economizam fios e reduzem o uso de fusíveis de queda, pararaios e hardware. Estatísticas incompletas mostram: a configuração monofásica corta cerca de 10% dos custos de linhas de alta tensão e 15% dos custos de projetos de linhas de baixa tensão.
1.4 Melhoria na Confiabilidade do Fornecimento de Energia
Os transformadores monofásicos são adequados para cenários de pequena capacidade e pontos densos, aumentando a cobertura de usuários. Estatisticamente, uma base de usuários maior eleva os coeficientes de confiabilidade. Para a gestão, a racionamento via circuito de transformador único reduz as interrupções e diminui os impactos na confiabilidade. Estructuralmente, as bobinas integradas dos transformadores trifásicos correm o risco de falha total do transformador se uma bobina falhar, causando apagões na área.
Tecnicamente, os transformadores trifásicos (Y/Y₀ ou △/Y₀) enfrentam anomalias de tensão nas outras fases quando um fusível queima. Seus sistemas de baixa tensão de três fios e quatro fios (380V/220V) correm o risco de surtos de tensão súbitos devido a curtos-circuitos no neutro, perturbando a iluminação e danificando equipamentos. Os transformadores monofásicos evitam em grande parte esses problemas, garantindo a confiabilidade.
2 Aplicações dos Transformadores Monofásicos
2.1 Âmbito de Uso
Com base nas características técnicas dos transformadores monofásicos, sua aplicação é recomendada nos seguintes cenários:
2.1.1 Áreas Residenciais em Comunidades Urbanas
Atualmente, o consumo de eletricidade em áreas residenciais urbanas é principalmente para iluminação e energia monofásica (por exemplo, eletrodomésticos como ar condicionado e refrigeradores), atendendo aos requisitos de "fornecimento de energia de alta tensão para residências". De acordo com os designs de moradia e a distribuição de carga, adote um modelo de fornecimento de energia de "um transformador monofásico por edifício" ou "um por unidade" para minimizar o raio de fornecimento da rede de baixa tensão (idealemente dentro de 100 metros), melhorando a eficiência e a qualidade do fornecimento de energia.
2.1.2 Iluminação Rural e Pequeno Consumo de Energia
As aplicações de iluminação rural e pequeno consumo de energia (por exemplo, pequenas máquinas agrícolas, equipamentos de irrigação) apresentam baixa carga e mínima flutuação, tornando-as adequadas para transformadores monofásicos de pequena capacidade. A implantação adequada desses transformadores pode atender precisamente às demandas de carga, reduzir os custos de fornecimento de energia e garantir o fornecimento estável de eletricidade.
2.1.3 Comunidades e Mercados com Furto de Eletricidade Severo
A implementação do "fornecimento de energia de alta tensão para residências" pode eliminar o furto de eletricidade causado por cabos de baixa tensão ilegais. Além disso, facilita a avaliação de perdas de linha por linha e transformador, permitindo o monitoramento preciso das perdas de consumo de energia e reforçando a gestão de energia.
2.1.4 Otimização do Fornecimento de Energia para Usuários Industriais de Pequena Escala
Promova a transição de usuários industriais de pequena escala de "transformadores compartilhados" para "transformadores dedicados". Com a popularização dos transformadores monofásicos, pequenos usuários industriais e comerciais podem instalar unidades dedicadas. Guiados por políticas de eletricidade e preços, a adoção de transformadores dedicados se tornará mais prevalente, separando a iluminação residencial da energia trifásica industrial. A substituição de transformadores trifásicos por monofásicos, onde apropriado, pode reduzir as perdas nas linhas de baixa tensão públicas e transformadores compartilhados, equilibrar as cargas e melhorar a estabilidade da tensão no final do usuário.
2.2 Questões ao Utilizar Transformadores Monofásicos
Atualmente, a maioria dos transformadores de distribuição monofásicos usa chapas de aço silício de rolos frios de alta qualidade (aninhadas) como material do núcleo, fabricados por meio de tecnologia de enrolamento. Suas perdas a vazio/carga e ruído operacional são muito menores do que os transformadores trifásicos do tipo S9.
Com o rótulo de grupo de conexão I/I₀, existem dois métodos de ligação principais:
Três terminais (lado de baixa tensão): Uma única bobina com um terminal central aterrado, formando duas bobinas. Razão de tensão: 10 kV/0,22 kV. Ligação: Ver Figura 1 (a₁, a₂ = fios de fase; x = neutro).
Quatro terminais (lado de baixa tensão): Duas bobinas (sem conexão elétrica entre elas). Razão de tensão (alta para baixa): 10 kV/0,22 kV. Ligação: Ver Figura 2.
Na figura, a1, a2 são fios de fase, e x1, x2, x são fios neutros. Ao utilizar transformadores monofásicos, note o seguinte:
Para o fornecimento de energia, o lado de baixa tensão geralmente usa uma configuração de três fios. Use x1/x2/x como o fio neutro (deve ser aterrado de forma confiável). a1 ，a2 (fios de fase) não podem ser paralelizados; distribua uniformemente as cargas para minimizar a corrente neutra no terminal de baixa tensão e reduzir as perdas.
Para o fornecimento de baixa tensão, use o sistema TT (neutro controlável por chave) ou TN (neutro não controlável por chave).
Selecione o terminal de alta tensão com base nas correntes trifásicas de saída de 10 kV da subestação. Correntes desequilibradas aumentam as perdas do transformador principal, causam tensão de sequência negativa e arriscam a operação incorreta de proteção. Primeiro, meça as correntes de saída de 10 kV e defina o terminal de acordo com as regras de equilíbrio de corrente.
Os transformadores monofásicos são adequados para cargas monofásicas. Pesquise a composição e disposição da carga; separe as cargas monofásicas e trifásicas, coloque os transformadores perto das cargas para aumentar a eficiência.
Faça previsões de carga; escolha um transformador de 20 a 100 kVA (intervalo típico).
Para o fornecimento de baixa tensão, instale chaves de seção/pólo de ligação (se possível) para melhorar a confiabilidade.
