SST in media tensione, tensione primaria, IEC 60038, ANSI C84.1, classe 15 kV, Um 17,5 kV, BIL, 50/60 Hz, codici di rete globali, piattaforma di isolamento.
Il presente rapporto fornisce una revisione sistematica dei requisiti di tensione sul lato primario (lato rete) per i trasformatori a stato solido (SST), noti anche come trasformatori elettronici di potenza (PET), nei mercati globali al di fuori della Cina.
Definizioni principali:
Tensione sul lato primario / lato rete: Il livello di distribuzione in media tensione a cui è collegato l'SST. Questo costituisce la base fondamentale per la progettazione dell'isolamento, il numero di moduli di potenza collegati in serie, la selezione degli scaricatori di sovratensione, la conformità EMC e la certificazione di connessione alla rete.
Tensione nominale (U): La tensione nominale del sistema (ad es., 11 kV, 13,8 kV).
Tensione massima per l'apparecchiatura (Um): La tensione di riferimento per la progettazione dell'isolamento, tipicamente del 10%–20% superiore alla tensione nominale.
Livello base di impulso fulmineo (BIL): La capacità dell'isolamento di resistere alle sovratensioni dovute ai fulmini.
Tensione di tenuta a frequenza industriale: La tensione di tenuta di breve durata a frequenza industriale, applicata attraverso l'isolamento e attraverso i contatti aperti.
Definizione standard di media tensione:
Sistema IEC (IEC 60038 / IEC 60076 / IEC 62271): La media tensione è definita da 1 kV a 35 kV. La IEC 60038 Edizione 7.1 (2009 + AMD1:2021), Tabella 3, divide i sistemi trifase da 1 kV a 35 kV in Serie I (uso generale, 50/60 Hz) e Serie II (nordamericana, specifica per 60 Hz). I valori tra parentesi (ad es., 15 kV, 17,5 kV) sono designati come "non preferiti" e non sono raccomandati per i nuovi sistemi.
Sistema IEEE/ANSI (ANSI C84.1 / IEEE C57 / IEEE C37): La media tensione è generalmente definita come >1 kV e <100 kV, con tensioni di distribuzione tipicamente comprese tra 2,4 kV e 34,5 kV. Le apparecchiature sono classificate in base alla Classe di tensione piuttosto che alla tensione nominale ai fini dell'isolamento.
Panorama della frequenza di rete:
Circa il 70% dei Paesi/regioni utilizza 50 Hz (dominio IEC).
Circa il 30% utilizza 60 Hz (dominio IEEE, inclusi Nord America, America Latina e parti dell'Asia).
Alcuni Paesi hanno un funzionamento duale a 50/60 Hz (Giappone, alcune nazioni caraibiche).
Serie RW Trasformatori a stato solido
Combinando gli standard IEC 60038 e ANSI C84.1/IEEE, le tensioni primarie in media tensione globali possono essere riassunte nei seguenti 13 livelli chiave. Affinché gli SST raggiungano una "copertura globale completa", ogni piattaforma di isolamento deve essere affrontata individualmente.
Livello 1: 3,3 kV / 3,6 kV (Fascia bassa IEC)
Um = 3,6 kV, BIL ≈ 20–40 kV.
Applicazioni: Reti di distribuzione industriale in alcuni Paesi, miniere, grandi impianti industriali. Classificato nella IEC 60038 come "non raccomandato per i nuovi sistemi di distribuzione pubblica".
Regioni: Installazioni storiche in Austria, Belgio e altri Paesi europei; parti dell'Europa orientale e sistemi di influenza russa. La domanda di SST è ridotta; può essere assorbita nella piattaforma a 7,2 kV tramite compatibilità verso il basso.
Livello 2: 6,6 kV / 7,2 kV (Classe IEC 7,2 kV)
Um = 7,2 kV, BIL = 60 kV, Tenuta a frequenza industriale = 20 kV.
Frequenza: Coesistenza 50/60 Hz.
Regioni: Giappone (primaria del Giappone orientale), Corea del Sud (industriale), Australia, Nuova Zelanda, parti dell'Europa orientale (russa 6 kV), Sudafrica (storico).
Nota: Nella IEC 60038, 6,6 kV corrisponde a Um = 7,2 kV ed è un livello "uso generale".
Livello 3: 10 kV / 11 kV (Classe IEC 12 kV)
Um = 12 kV, BIL = 75 kV, Tenuta a frequenza industriale = 28 kV.
Frequenza: Principalmente 50 Hz.
Regioni: Nucleo del Regno Unito e dei sistemi ex Commonwealth britannico/coloniali; uno dei livelli più diffusi a livello globale: India, Australia, Nuova Zelanda, Sudafrica, Egitto, Kenya, Nigeria, Emirati Arabi Uniti (DEWA/ADDC), Qatar, Kuwait, Oman, Bangladesh, Nepal, Malesia, Sri Lanka, ecc.
Nota: La IEC 60038 elenca sia 10 kV (vecchio sistema dell'Europa continentale) sia 11 kV (sistema britannico). Le apparecchiature sono progettate in modo uniforme per la piattaforma Um = 12 kV / BIL = 75 kV.
Livello 4: 12,47 kV / 13,2 kV / 13,8 kV (Classe IEEE 15 kV)
Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV opzionale in alcuni casi), Tenuta alla frequenza di rete ≈ 36 kV.
Frequenza: 60 Hz.
Regioni: Assoluta spina dorsale del Nord America (USA, Canada), che copre >60% del carico a media tensione degli Stati Uniti; America Latina (Brasile, Messico, Argentina, Cile); Filippine.
Nota: 12,47 / 13,2 / 13,8 kV appartengono tutti alla stessa "Classe di isolamento 15 kV" secondo ANSI C84.1. Isolamento, scaricatori e cavi sono selezionati in base alla Classe, non alla tensione nominale. Questa è una regola universale nella distribuzione nordamericana.
Livello 5: 15 kV (Sistema IEC, Valore non preferito) – [Aggiunta chiave]
Um = 17,5 kV, BIL = 95 kV, Tenuta alla frequenza di rete = 38 kV (tensione nominale del cavo: 8,7/15 kV).
Frequenza: 50 Hz.
Riferimento normativo: Nella IEC 60038 Serie I, (17,5) — (15) è indicato tra parentesi come valore "non preferito", ma rimane una tensione riconosciuta.
Regioni di applicazione principali – Africa orientale (Corno d'Africa):
Etiopia: La spina dorsale della distribuzione a media tensione è costituita dai doppi livelli di 15 kV e 33 kV. La rete di distribuzione è alimentata da trasformatori abbassatori 132/33 kV, 132/15 kV e 45/15 kV. Ethiopian Electric Power (EEP) ha avviato la sostituzione in blocco degli interruttori a 15 kV e 33 kV in più sottostazioni (ad es. Haramaya II, Chellenko II, Woliso, ecc., a 132/33/15 kV). La maggior parte delle linee di alimentazione ad Addis Abeba opera a 15 kV.
Kenya: Le reti storiche includono 15 kV insieme ai sistemi 11/33 kV.
Tanzania, Uganda e altri membri della Comunità dell'Africa orientale: Esistono alcune applicazioni a 15 kV dovute al coordinamento regionale della rete.
Turchia: La media tensione include 15 kV (insieme a 6,3 / 11 / 20 / 34,5 kV).
Nord Africa / Medio Oriente: Alcuni vecchi sistemi ereditati in singoli paesi operano a 15 kV.
⚠️ Avvertenza critica di progettazione (Errore comune per gli esportatori di SST):
IEC 15 kV ha Um = 17,5 kV, mentre la "Classe 15 kV" IEEE 13,8 kV ha Um ≈ 15 kV. Sebbene entrambi abbiano BIL = 95 kV, la tensione massima per le apparecchiature differisce.
La tensione residua degli scaricatori, le distanze di fuga, il bilanciamento della tensione del modulo di potenza e l'isolamento del cavo devono essere calcolati per 17,5 kV.
Non utilizzare la piattaforma hardware IEEE 15 kV per applicazioni IEC 15 kV: il margine di isolamento sarà insufficiente, portando a rischi di rottura a lungo termine. Al contrario, l'utilizzo della piattaforma IEC 17,5 kV in Nord America comporta costi eccessivi.
Pertanto, IEC 15 kV (Um = 17,5 kV) e Classe IEEE 15 kV (Um ≈ 15 kV) devono essere trattati come due piattaforme di isolamento completamente indipendenti.
Livello 6: 20 kV / 24 kV (Classe IEC 24 kV)
Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Tenuta alla frequenza di rete = 50 kV.
Frequenza: Principalmente 50 Hz.
Regioni: Distribuzione standard dell'Europa continentale: Germania, Francia, Paesi Bassi, Belgio, Austria, Svizzera, Danimarca, Norvegia, Svezia, Finlandia, Spagna, Portogallo, Italia; anche parti dell'America Latina (il Brasile ha una distribuzione mista a 20 kV).
Nota: La IEC 60038 elenca sia 20 kV che 24 kV (20 kV come nominale, 24 kV come Um). Le apparecchiature sono progettate in modo uniforme per Um = 24 kV / BIL = 125 kV. La Francia utilizza sia 20 kV che 33 kV.
Livello 7: 22 kV (Standard regionale di fatto)
Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Tenuta alla frequenza di rete = 50 kV.
Frequenza: 50 Hz.
Regioni: Indonesia, Thailandia, Vietnam (paesi asiatici sud-orientali con sistema IEC); anche la Corea del Sud include 22 kV (la tensione di distribuzione standard KEPCO è 22.900 V, ovvero 22,9 kV, 60 Hz); il Giappone occidentale utilizza 22 kV.
⚠️ Promemoria importante: 22 kV non rientra nella sequenza preferenziale IEC 60038; è una tensione di deriva operativa regionale. Tuttavia, le apparecchiature devono essere progettate per Um = 24 kV, BIL = 125 kV. Una mancata corrispondenza causerà il fallimento dei test di fulminazione/impulso in loco nel Sud-est asiatico. La IEC 60038 nota che 22,9 kV (con Um = 24,2 o 25,8 kV) è utilizzato in "alcuni paesi", con riferimento specifico alla Corea del Sud.
Serie RW Trasformatore a stato solido ibrido AC-DC
Livello 8: 24,94 kV / 26,4 kV (Classe IEEE 25 kV)
Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV opzionale), Tenuta alla frequenza di rete ≈ 50 kV.
Frequenza: 60 Hz.
Regioni: Nord America (periferie degli USA, linee di alimentazione rurali a basso carico, corrispondenti a 24,94 kV GrdY/14,4 kV); parti dell'America Latina.
Nota: Classificato come "Classe 25 kV" secondo ANSI C84.1. I livelli di isolamento sono vicini a IEC 24 kV, ma le tolleranze della tensione di sistema differiscono.
Livello 9: 30 kV / 33 kV (Classe IEC 36 kV)
Um = 36 kV, BIL = 170 kV, Tenuta alla frequenza di rete = 70 kV.
Frequenza: 50 Hz.
Regioni: Regno Unito continentale (distribuzione primaria a 33 kV), India (33 kV HT), Sudafrica (Eskom), Egitto, Kenya, Nigeria e altre nazioni africane, Australia, Nuova Zelanda (33 kV), Golfo del Medio Oriente (Emirati Arabi Uniti, Arabia Saudita, Qatar, ecc.), Etiopia (33 kV insieme a 15 kV come rete principale).
Nota: La IEC 60038 elenca 30 kV e 33 kV in parallelo; entrambi sono progettati per Um = 36 kV / BIL = 170 kV. Alcuni paesi africani classificano 33 kV come "alta tensione" ai fini tariffari.
Livello 10: 34,5 kV (Classe IEEE 35 kV)
Um = 38 kV (o classe 36 kV), BIL = 200 kV (150 kV opzionale), Tenuta alla frequenza di rete = 80 kV.
Frequenza: 60 Hz.
Regioni: Nord America (USA, Canada – linee di alimentazione rurali lunghe, interconnessione di energie rinnovabili), Brasile, Messico, altri paesi latinoamericani (distribuzione secondaria/sottotrasmissione), Filippine (34,5 kV).
Nota: Classificato come "Classe 35 kV" secondo ANSI C84.1. Questa è la tensione principale per l'interconnessione delle centrali elettriche rinnovabili in Nord America.
Livello 11: 35 kV (IEC, alcuni paesi)
Um = 40,5 kV, BIL = 200 kV (145 kV di livello inferiore in alcuni casi).
Frequenza: 50 Hz.
Regioni: Francia, parti dell'Europa settentrionale, Europa orientale, sistemi di influenza russa, Vietnam (35 kV), parti del Sud America.
Nota: Questo è l'estremità superiore della Serie I IEC 60038. Sebbene numericamente vicino a IEEE 34,5 kV, l'isolamento (Um = 40,5 rispetto a 38 kV) e la frequenza (50 rispetto a 60 Hz) differiscono. Gli SST devono essere adattati separatamente.
Livello 12: 45 kV / 66 kV (Transizione Distribuzione-Trasmissione)
Um = 52 kV / 72,5 kV, BIL ≈ 250 kV / 325 kV rispettivamente.
Regioni: Etiopia (45 kV, 66 kV sottotrasmissione), Regno Unito (66 kV), Sudafrica (66 kV), Nuova Zelanda (66 kV), Nord America (69 kV).
Nota: Questi si avvicinano al confine MV/HV. Se gli SST vengono applicati qui, la progettazione deve seguire la classe 72,5 kV. Questo rapporto si concentra principalmente sulle tensioni fino a 38 kV.
Livello 13: Ritorno a terra su singolo filo (SWER) – Caso speciale
Tabella 7 IEC 60038: Um = 24 kV corrisponde a tensioni di sistema di 13,9 kV / nominale 12,7 kV; Um = 36 kV corrisponde a 20,8 kV / 19,1 kV. Utilizzato principalmente nelle aree remote di Australia e Nuova Zelanda (12,7 kV / 19,1 kV SWER).
Le applicazioni SST sono limitate, ma l'isolamento si ancora comunque alle classi 24 kV / 36 kV.
Sequenza preferenziale delle tensioni nominali della Serie I IEC 60038 (1–35 kV):
3.3 — 6.6 — 11 — (15) — 22 — 33 — (35) kV
Sequenza Um corrispondente:
3.6 — 7.2 — 12 — (17.5) — 24 — 36 — (40.5) kV
Raggruppamenti regionali:
Europa continentale (sistema 20/24 kV): Germania, Francia, Paesi Bassi, paesi nordici, ecc. Isolamento: Um = 24 kV / BIL = 125 kV.
Sistema del Regno Unito e del Commonwealth (sequenza 11/33 kV): Regno Unito, India, Australia/Nuova Zelanda, Sudafrica, Medio Oriente, gran parte del Sud-est asiatico. Corrisponde a Um = 12 kV (BIL 75) e Um = 36 kV (BIL 170).
Sud-est asiatico 22 kV misto: Indonesia, Thailandia, Vietnam – ancorati alla piattaforma Um = 24 kV.
Sistema 15 kV dell'Africa orientale (Focus principale): Etiopia (backbone 15+33 kV), Kenya, Tanzania, ecc. Il 15 kV opera come piattaforma indipendente a Um = 17,5 kV / BIL = 95 kV. Questa è l'applicazione reale più significativa a livello globale del valore IEC non preferito di 15 kV.
Serie RW Trasformatore a stato solido SST 40.5kV
Le tensioni nordamericane derivano dalla progressione 120 V × √3 (2,4 → 4,16 → 12,47 → 13,8 → 24,94 → 34,5 kV), fondamentalmente diversa dalla base europea di 220 V (3,3/6,6/11 kV).
Classe di isolamento (Classe di tensione) secondo ANSI C84.1 + IEEE C57.12.00:
Classe 5 kV: Copre 4,16 kV, Um ≈ 4,76 kV, BIL = 60 kV.
Classe 15 kV: Copre 12,47 / 13,2 / 13,8 kV, Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV opzionale).
Classe 25 kV: Copre 24,94 kV, Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV opzionale).
Classe 35 kV: Copre 34,5 kV, Um = 38 kV, BIL = 200 kV (150 kV opzionale).
Principali regioni:
Nucleo del Nord America (13,8 kV + 34,5 kV): USA, Canada.
America Latina (13,8/34,5 kV): Brasile, Messico, Argentina, Cile, ecc.
Asia-Pacifico 60 Hz (Sistema IEEE): Filippine (13,8/23/34,5 kV), Corea del Sud (22,9/34,5 kV, 60 Hz), Arabia Saudita (parti a 13,8 kV, 60 Hz per petrolio/gas/municipale).
⚠️ Promemoria fondamentale: La "Classe 15 kV" nordamericana è un concetto di classe di isolamento, in cui 12,47/13,2/13,8 kV condividono la stessa piattaforma di isolamento. Questo non deve essere confuso con IEC 15 kV (Um = 17,5 kV).
Giappone (Coesistenza 50/60 Hz – l'unica divisione di frequenza Est-Ovest al mondo):
Giappone orientale (Tokyo, Hokkaido, ecc., 50 Hz): 6,6 kV primario, con 22 kV nel centro di Tokyo e per grandi utenti (SST richiede piattaforma 22 kV).
Giappone occidentale (Kansai, Kyushu, ecc., 60 Hz): 22 kV primario.
Intervallo di media tensione: da 6,6 kV a 66 kV; backbone di distribuzione circa 740.000 km. Interconnesso tramite 4 stazioni di conversione di frequenza HVDC.
Strategia SST: Richiede piattaforme da 7,2 kV e 24 kV + commutazione firmware a doppia frequenza 50/60 Hz.
Corea del Sud (60 Hz, Ibrido Tensione IEC + Frequenza IEEE):
Tensione di distribuzione standard: 22.900 V (22,9 kV); dispone anche di 6,6 kV e 34,5 kV.
22,9 kV è classificato secondo IEC come vicino alla classe 24 kV (Um = 24,2/25,8 kV), BIL = 125 kV.
Strategia SST: Piattaforma 24 kV + 60 Hz; deve essere conforme alle specifiche tecniche di connessione alla rete KEPCO (in particolare anti-isolamento, armoniche, iniezione CC <0,5%, fattore di potenza >90%).
Sudafrica, Australia: Nominalmente IEC, ma presentano multiple tensioni coesistenti (11/22/33 kV), e l'Australia ha 12,7/19,1 kV SWER.
Gli SST impiegano la conversione elettronica di potenza (CA-CC-CA + trasformatore di isolamento ad alta frequenza). Il coordinamento dell'isolamento primario deve soddisfare entrambi i seguenti requisiti: (a) gli standard di tensione di tenuta lato rete e (b) la sovratensione di spegnimento e il bilanciamento della tensione dei moduli interni IGBT/MOSFET/SiC.
Mappatura chiave dell'isolamento:
| System Voltage |
Um |
BIL |
Power-Frequency Withstand |
Frequency / System |
|---|---|---|---|---|
| 3.3 kV |
3.6 kV |
≈40 kV |
≈10 kV |
IEC |
| 6.6 / 7.2 kV |
7.2 kV |
60 kV |
20 kV |
IEC (50/60 Hz) |
| 10 / 11 kV |
12 kV |
75 kV |
28 kV |
IEC (50 Hz) |
| 12.47 / 13.2 / 13.8 kV |
≈15 kV |
95 kV |
36 kV |
IEEE 15 kV Class (60 Hz) |
| IEC 15 kV |
17.5 kV |
95 kV |
38 kV |
IEC 50 Hz – East Africa (Ethiopia, etc.) ⚠️ Independent |
| 20 / 22 / 24 kV |
24 kV |
125 kV |
50 kV |
IEC 24 kV Class (50 Hz) |
| 24.94 kV (IEEE 25 kV Class) |
27 kV |
125–150 kV |
≈50 kV |
IEEE (60 Hz) |
| 30 / 33 kV |
36 kV |
170 kV |
70 kV |
IEC (50 Hz) |
| 34.5 / 35 kV |
38 / 40.5 kV |
200 kV (145 kV opt.) |
80 kV |
IEEE / IEC (60/50 Hz) |
Accesso
