Entwurf und Implementierung eines speziellen Transformators mit automatischer Kapazitätsregelung

1. Einführung

Energie ist für den Betrieb und die Entwicklung der Gesellschaft unerlässlich. Um den nationalen Energieeinsparungs- und Emissionsreduktionszielen gerecht zu werden, ist es notwendig, die Nutzung von Ressourcen – was für Energieunternehmen entscheidend ist – zu verbessern. Mehrstufige Modernisierungen ländlicher Stromnetze treiben die Entwicklung von Verteilungstransformatoren voran. Trotz hoher Effizienz sind weit verbreitete Transformatoren aufgrund von Kapazitäts- und Nutzungsschwierigkeiten mit erheblichen Gesamtverlusten konfrontiert; 70 % der Verluste in mittel- und niederspannungsgeteilten Netzen stammen von Verteilungstransformatoren. Ländliche Netze haben konzentrierte, saisonabhängig belastete Lasten, wodurch große Spitzen-Tal-Differenzen die durchschnittlichen Lastfaktoren der Transformatoren senken. Die Verwendung von kapazitätsregulierenden Transformatoren in diesen Gebieten hilft, die Kapazität an die Last anzupassen, um einen wirtschaftlichen und sicheren Betrieb zu gewährleisten, Überlastungen und Energieverschwendung zu reduzieren. Das Design eines automatisch kapazitätsregulierenden Spezialtransformators bietet technische Durchbrüche und praktischen/theoretischen Wert.

2. Mechanismus der Verlustentstehung bei Transformatoren

Transformatoren, die in Verteilungsnetzen für die Energieverteilung und Spannungs-/Stromanpassung zentral sind, erleiden während des normalen Betriebs erhebliche Leistungsverluste, die aus Kurzschluss- (Last-) und Leerlaufverlusten bestehen.

Kurzschlussverluste (Lastverluste) treten auf, wenn der Nennstrom unter Last durch die Wicklungen fließt. Sie werden durch Kurzschlusstests (Anlegen einer geringen Spannung an der Primärseite, Messen des Nennstroms an der Sekundärseite, ignorieren der Kernverluste) ermittelt und entsprechen in etwa dem Kupferverlust. Diese Verluste steigen proportional zur Last, begrenzt durch Lastkoeffizienten und den Nennkurzschlussverlust.

3. Design & Implementierung des automatisch kapazitätsregulierenden Spezialtransformators
3.1 Struktur des kapazitätsregulierenden Transformators

Der verwendete D-Y-Schalttransformator verwendet unterschiedliche Wicklungsmodi für den Betrieb mit großer und kleiner Kapazität: Delta (D) für große Kapazität, Stern (Y) für kleine Kapazität (auch als Stern-Delta-Umstellung bekannt). Die Niederspannungswicklungen bestehen aus 27%- und 73%-Wendeldrähten, wobei das Querschnittsprofil des letzteren etwa 1/2 des ersteren beträgt.

3.2 Realisierung der automatischen Kapazitätsregulierung

Automatische kapazitätsregulierende Transformatoren im Betrieb verlassen sich auf automatische Steuerungsmodule: Datenabfrage, Speicherung, Transformatoren, Mensch-Maschine-Interaktion, Stromversorgung und I/O-Schleifen. Spannungs- und Stromtransformatoren sammeln Signale; analoge Schaltkreise mit Mikroprozessoren verarbeiten sie. Verarbeitete Daten werden im Speicher abgelegt, um externe Schnittstellen oder zukünftige Austauschvorgänge zu ermöglichen. Abbildung 1 zeigt die Zusammensetzung des automatischen Steuerungssystems.

3.3 Steuerungsprozess des automatischen Steuerungssystems

Der analoge Strom des kapazitätsregulierenden Transformators und die Spannung an der Sekundärseite werden vom Ladestromkapazitätsregler erfasst. In Kombination mit dem Schaltzustand des Kapazitätsreglers kann eine numerische Bewertung basierend auf den Betriebscharakteristiken und -parametern des gesteuerten Objekts erfolgen. Dann wird festgestellt, ob die Bedingungen für die Ausführung der Aufgabe erfüllt sind, basierend auf den tatsächlichen Steuerbedingungen.

Wenn die Bedingungen erfüllt sind und die Kapazität des Verteilungstransformators angepasst werden muss, wechselt das Programm zum Aufgabenmodul für die Anpassung der Transformator-Kapazität. Nach Abschluss der Kapazitätsanpassungsaufgabe geht es in andere Hilfsfunktionsmodule über. Wenn die Bedingungen für die Aufgabenausführung nicht erfüllt sind oder keine unmittelbare Anpassung der Transformator-Kapazität erforderlich ist, geht das Programm direkt in andere Hilfsfunktionsmodule. Abbildung 2 zeigt den Ablaufplan des automatischen Steuerungssystems.

3.4 Hardwarestruktur des automatischen Regelungssystems für die Kapazitätsregulierung im Betrieb

Die Hardwarestruktur des automatischen Regelungssystems für die Kapazitätsregulierung im Betrieb besteht hauptsächlich aus einem Signalabfrageeinheit, einer Datenschnittstelleneinheit, einer Eingabeeinheit, einer Ausgabeeinheit, einem Bedienelementsystem, einem Stromquarz und einem Taktkreis.

Das automatische Regelungssystem für die Kapazitätsregulierung im Betrieb verfügt über eine hohe Störfestigkeit und Hardwarezuverlässigkeit, da für alle seine Komponenten industrielle Chips ausgewählt wurden. Darüber hinaus wurde bei der Schaltungsentwicklung die elektromagnetische Verträglichkeit von Komponenten und Schaltungen berücksichtigt. Dies stellt sicher, dass das automatische Regelungssystem für die Kapazitätsregulierung im Betrieb ein hohes Maß an Betriebszuverlässigkeit und elektrischer Sicherheit aufweist und selbst in rauen elektrischen Umgebungen den Einsatzanforderungen gerecht wird.

4. Schlussfolgerung

In Verteilungsnetzen bedeutet die weite Verbreitung einer großen Anzahl von Verteilungstransformatoren, dass die momentanen Verluste in diesen Transformatoren einen relativ hohen Anteil an den Gesamtverlusten im Verteilungsnetz ausmachen. Ländliche Strombelastungen sind durch ungünstige Bedingungen wie saisonale Veränderungen, kurze jährliche Nutzungsdauer und häufige Auftreten von Leerlauf- oder Leichtlastzuständen eingeschränkt. Daher ist die Situation, in der die Lastquote der Transformatoren innerhalb eines vernünftigen Betriebsbereichs bleibt, relativ selten.

Kapazitätsregulierende Transformatoren können gemäß Lastfluktuationen und dem Zustand des Kapazitätsreglers eingestellt werden. Durch Änderung der Verbindungsmethode der Transformatorwicklungen erhalten sie die Eigenschaft einer einstellbaren Kapazität. Daher hat die gezielte Installation von kapazitätsregulierenden Transformatoren in ländlichen Netzgebieten mit großen Lasten und häufigen Spannungsfluktuationen einen relativ deutlichen Einfluss auf die Stromspareffekte und die Verlustkontrolle.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung und Fortschritt der Elektroniktechnologien werden auch die Funktionsverbesserungen der automatischen kapazitätsregulierenden Transformatoren zunehmend perfekter. Es wird angenommen, dass automatische kapazitätsregulierende Spezialtransformatoren in Zukunft neue Durchbrüche in Richtung Energieeinsparung und Verlustreduktion in Verteilungsnetzen erreichen werden.