Автотрансформатор против изолирующего трансформатора: руководство по выбору для проектов на 480 В и 600 В

 

Автотрансформатор против разделительного трансформатора: вопрос, стоящий за половиной наших писем о подборе мощности

Одна компания по сборке щитов в Техасе прислала нам однолинейную схему в прошлом апреле с одной строкой текста над ней: «Сеть 600 В, двигательная нагрузка 480 В, примерно 400 л.с. Действительно ли нам нужен трансформатор мощностью 500 кВА, или достаточно понижающе-повышающего устройства?» Это письмо — вся автотрансформатор против разделительного трансформатора суть решения, умещённая в два предложения. Ответ зависел от двух фактов, и ни один из них не касался коэффициента трансформации: сколько реальной мощности обмоток оплачивает заказчик и требуется ли установке новая заземлённая система.

Оба продукта производятся на одной и той же линии нашего завода и оба получают маркировку UL при изготовлении для Северной Америки. Они выполняют совершенно разные функции. Автотрансформатор использует одну общую обмотку для первичной и вторичной цепей, поэтому ток нагрузки проходит через общий участок медного провода. Двухобмоточный разделительный трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию между двумя цепями и связывает их исключительно посредством магнитной цепи. Все последующие различия — в стоимости и массе, потерях, заземлении, поведении при гармониках и токе короткого замыкания — вытекают именно из этого фундаментального отличия.

Вот часть, которую чаще всего упускают из виду большинство покупателей: решение редко связано с изменением напряжения. Практически любое устройство способно изменять напряжение. Речь идёт о том, какие ещё функции должен выполнять трансформатор внутри вашей электрической системы.

 

Расчёт кВА, определяющий большинство технических характеристик автотрансформаторов

Правило расчёта номинальной мощности простое и объясняет, почему такие устройства значительно меньше по размерам по сравнению с двухобмоточными аналогами. Обмотка должна выдерживать только преобразованную часть нагрузки: преобразованная мощность в кВА = мощность нагрузки в кВА × (1 − Vвторичная / Vпервичная).

Применим это правило к техасскому запросу. Понижение напряжения с 600 В до 480 В даёт 1 − (480 / 600) = 0,20, поэтому для нагрузки 500 кВА требуется обмотка автотрансформатора лишь на ~100 кВА. Заказчик сравнивает автотрансформатор на 100 кВА с двухобмоточным трансформатором на 500 кВА: количество меди составляет одну пятую, масса — примерно одну треть от массы наших стандартных конструкций с разомкнутым магнитопроводом, а сам магнитопровод существенно меньше — именно в нём сосредоточена основная доля потерь холостого хода.

 

 

За этой экономией стоят два инженерных следствия. Во-первых, эффективное сопротивление при коротком замыкании снижается, поэтому ток короткого замыкания на шине 480 В выше, чем при использовании двухобмоточного трансформатора аналогичной мощности в кВА. Необходимо перепроверить верхестоящее защитное устройство и номинальную отключающую способность нижестоящей распределительной панели по новому значению, а не по старому. Во-вторых, гальванической развязки вообще нет: любой шум, переходные процессы или гармонические токи, присутствующие на первичной стороне, также присутствуют и на вторичной стороне.

 

Там, где изоляционный трансформатор перестаёт быть опциональным

Существует четыре ситуации, при которых обсуждение варианта автотрансформатора полностью прекращается; как правило, это очевидно уже с первой страницы комплекта чертежей.

• Создание новой заземлённой системы. Если в рамках проекта требуется новый нейтральный проводник или источник напряжения 480Y/277 В для питания распределительной панели на 208Y/120 В, трансформатор должен представлять собой отдельно выделенную систему. Автотрансформатор не может выполнять эту функцию.
• Ток нулевой последовательности и кратные трём гармоники. Соединение первичной обмотки в треугольник в двухобмоточном трансформаторе создаёт замкнутый путь для циркуляции третьих, девятых и пятнадцатых гармоник. В автотрансформаторе такого барьера нет, и указанные гармоники направляются напрямую обратно к источнику.
• Нагрузки приводов и выпрямителей. На стороне питания частотных преобразователей (ЧП) обычным требованием является индивидуальному трёхфазному трансформатору изготовление в виде двухобмоточного агрегата с первичной обмоткой, соединённой в треугольник, и электростатическим экраном, который перехватывает помехи по общей шине — функцию, которую автотрансформатор просто не способен выполнять.
• Контроль замыканий на землю. Схемы контроля с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности требуют гальванического разрыва между первичной и вторичной обмотками. Автотрансформатор такого разрыва не обеспечивает, поэтому системы остаточной и нулевой последовательности необходимо проектировать заново.

Самая распространённая ошибка — это не ошибка в расчёте номинала, а ошибка в предположениях: использование автотрансформатора понижающе-повышающего типа для получения 120 В для цепей управления или розеток от незаземлённой или заземлённой по углу 480-В системы. Напряжение отображается на измерительном приборе, поэтому монтаж выглядит корректным, однако отсутствует путь возврата для устранения замыкания на землю, а также отсутствует заземлённый проводник для опорного потенциала. Такая конфигурация представляет угрозу для жизни и безопасности, и никакая экономия на устройстве мощностью 15 кВ·А не оправдывает такого риска. Мы отказываемся от подобных заказов и вместо этого направляем предложение на трансформатор с двумя обмотками.

 

Заземление разделительного трансформатора и правила ПУЭ, о которых спрашивают покупатели

Вопрос заземления заземление разделительного трансформатора решения фактически принимаются. Согласно NEC, все трансформаторы, кроме автотрансформаторов, являются отдельно выделенными системами, поскольку первичные и вторичные проводники не имеют прямого соединения. Следовательно, для вторичной цепи требуется собственный соединительный перемычка системы, собственный проводник заземляющего электрода и собственный заземляющий электрод в соответствии с пунктом 250.30. Поскольку автотрансформатор использует общую обмотку для двух цепей, он вообще не является отдельно выделенной системой: устанавливать новый проводник заземляющего электрода не требуется, а путь оборудования для соединения с источником должен оставаться непрерывным и целостным. Правило и его последствия подробно изложены в этом Руководстве EC&M по заземлению и уравниванию потенциалов отдельно выделенных систем .

Защита от перегрузки по току — это второе правило, о котором спрашивают покупатели. Согласно NEC 450.4, автотрансформаторы требуют индивидуальной защиты от перегрузки по току, включённой последовательно с каждым незаземлённым входным проводником; такая схема отличается от правил, применяемых к двухобмоточным трансформаторам, с которыми проектировщики электросистем работают ежедневно. Рекомендуется подтвердить этот момент на чертеже до выпуска изделий в производство, поскольку модернизация системы защиты после изготовления распределительного устройства обойдётся дорого. Ссылочный текст опубликован NFPA 70, National Electrical Code .

Область сертификации — третий пункт, и именно здесь UL listed transformer supplier должен быть в состоянии ответить без проверки. Стандарт ANSI/UL 1561 распространяется на сухие трансформаторы общего назначения и силовые трансформаторы с повышающим, понижающим, изолирующим и автотрансформаторным исполнением; его область применения ограничена номинальным первичным или вторичным напряжением до 600 В включительно. Отсюда вытекают два практических следствия. Любой автотрансформатор, приобретаемый для системы на 480 В или 600 В, должен быть сертифицирован по UL 1561; если поставщик заявляет, что блок на 13,8 кВ сертифицирован по UL 1561, у него возникает проблема с документацией. Требуйте указания номера стандарта и класса напряжения, а не только логотипа. Область применения опубликована на Магазине стандартов и услуг UL .

 

Автотрансформатор против изолирующего трансформатора: сравнение «бок о бок»

Ключевой момент	Автотрансформатор	Изолирующий (двухобмоточный)
Преобразованная мощность в кВА, нагрузка 500 кВА, 600 В → 480 В	Около 100 кВА	500 КВА
Масса в установленном состоянии и занимаемая площадь пола	Низкая	Высокий
Потери в холостом ходу	Меньше (меньший сердечник)	Высокий
Отдельно выделенная система согласно NEC 250.30	No	Да
Путь для триплетных гармоник / нулевой последовательности	Проходит через	Блокируется первичной обмоткой дельта-трансформатора
Ослабление помех в режиме синфазного сигнала	Нет	Да, с электростатическим экраном
Ограничение тока короткого замыкания	Минимальный	Задаётся указанным значением %Z
Типичное применение	600/480 В или 208/240 В с согласованием на одной заземлённой системе	Новая распределительная сеть, нагрузки приводов, гармонические нагрузки, выделение нейтрали

Наше собственное эмпирическое правило кратко. Если ответ на вопрос «требует ли данная нагрузка новой заземлённой системы или барьера против гармонических и синфазных токов?» — «нет», а коэффициент трансформации умеренный, автотрансформатор, как правило, выгоднее по общей стоимости монтажа. Если хотя бы один из ответов — «да», двухобмоточный трансформатор является единственным соответствующим требованиям выбором, и автотрансформатор против разделительного трансформатора сравнение на этом заканчивается.

 

Что мы проверяем перед отправкой трансформаторов любого типа

Рутинные испытания идентичны для обоих типов и являются решающим этапом: либо заказ превращается в готовый трансформатор, либо становится браком — проверяются коэффициент трансформации и полярность, сопротивление обмоток, приложенное напряжение и наведённая ЭДС, потери холостого хода и потери под нагрузкой (сравниваются с расчётными значениями), а также повышение температуры — выборочно. Для литых эпоксидных трансформаторов дополнительно проводится измерение частичных разрядов, и результаты должны оставаться ниже предела, согласованного на стадии заказа, поскольку чистые показания на заводе позволяют избежать споров по гарантии через три года.

Ryan Electric выпускает оба типа на заводе площадью 120 000 кв. м, оснащённом более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и имеющем 37 патентов в группе; продукция сертифицирована по стандартам UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE. С 2023 года мы также действуем как официальный партнёр совместного предприятия Eaton, поэтому документация рутинных испытаний имеет единый формат — как для понижающе-повышающего трансформатора мощностью 15 кВА, так и для масляного трансформатора мощностью 5 МВА. Как UL listed transformer supplier для проектов в сфере коммунальных услуг, центров обработки данных и промышленных объектов Северной Америки мы поставляем трансформаторы, устанавливаемые на фундаменте, сухого типа и маслонаполненные, с маркировкой, требуемой местными инспекторами для таблички, независимо от того, является ли заказ стандартным распределительным устройством или индивидуальному трёхфазному трансформатору изготовленным по нестандартному коэффициенту трансформации.

Один момент из техасского проекта стоит упомянуть. Предложенный нами автотрансформатор имел номинальную мощность 100 кВА, однако его корпус всё равно требовал кабельного ввода на напряжение 480 В и нейтральной шины для питающих кабелей распределительного щита. Устройство, выглядящее самым дешёвым в строке коммерческого предложения, не обязательно окажется самым экономичным при монтаже — пока не будет корректно выполнена деталь подключения; это вопрос чертежа, а не цены.

 

Отправьте однолинейную схему, и мы рассчитаем оба варианта

Мы отвечаем на электронные письма, касающиеся подбора оборудования, предоставляя сравнение вариантов вместо единого ценового предложения. Направьте нам однолинейную схему с указанием напряжения источника и схемы заземления, полной мощности нагрузки в кВА и мощности двигателя в лошадиных силах, наличия нагрузки от преобразователей частоты или выпрямителей, доступного тока короткого замыкания на вводе и температуры окружающей среды на объекте. Мы предоставим два варианта: с автотрансформатором и с двухобмоточным трансформатором — для каждого укажем мощность обмоток в кВА, процентное значение напряжения короткого замыкания (%Z), класс исполнения корпуса и стандарт сертификации, в соответствии с которым оборудование будет сертифицировано.

Если проект представляет собой индивидуальному трёхфазному трансформатору с нестандартным коэффициентом трансформации, нестандартным исполнением корпуса или специальным объёмом испытаний, наши инженеры подтверждают конфигурацию обмоток до выпуска чертежа. Запросите коммерческое предложение или направьте схему в отдел технических продаж, и мы сообщим вам, какой из двух типов конструкции действительно необходим для вашего объекта.

Об авторе: Это руководство подготовлено группой инженеров по продажам компании Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., которая спроектировала, прошла типовые испытания и поставила трансформаторы сухого типа, маслонаполненные и блочные трансформаторы для проектов в области центров обработки данных, энергетики и промышленности в Северной Америке, на Ближнем Востоке и в Юго-Восточной Азии. Для помощи в подборе автотрансформаторов и разделительных трансформаторов или для проверки однолинейной схемы свяжитесь с нашей инженерной службой через форму запроса на сайте.