Análise Abrangente de Tecnologias de Transformador Monofásico de Distribuição em Múltiplos Cenários de Aplicação

Introduza a linha de 10 kV no centro de carga. Seguindo o princípio de "pequena capacidade, pontos densos, raio curto", adote o novo modo de distribuição monofásica, caracterizado pela redução notável das perdas de tensão baixa, alta qualidade e confiabilidade do fornecimento de energia. Ao comparar a economia e confiabilidade dos transformadores monofásicos versus trifásicos em diferentes cenários, este artigo analisa seu escopo aplicável e sugestões de aplicação.Os transformadores monofásicos são classificados por modo de distribuição: com o ponto neutro do lado de 10 kV não levado (lado de média tensão conectado à tensão de linha da rede de distribuição U_AB/U_BC/U_AC, "fase a fase") ou com a linha neutra do lado de 10 kV levada (lado de média tensão conectado à tensão de fase da rede de distribuição U_AN/U_BN/U_CN, "fase a terra"), conforme mostrado nas Figuras 1 e 2.

1 Análise de Perdas do Sistema de Distribuição Monofásico

No sistema de distribuição monofásico, as perdas na rede vêm principalmente de três partes: perdas nos transformadores monofásicos, perdas nas linhas de distribuição de alta tensão e perdas nas linhas de distribuição de baixa tensão. Tomando o tipo D11 como exemplo, o cálculo e análise das perdas totais de linha são os seguintes.

1.1 Modo de Distribuição Monofásica e Tensão de Conexão do Lado de Alta Tensão

O lado de alta tensão adota o modo de distribuição monofásica e está conectado entre as tensões de linha; o lado de baixa tensão adota o modo de sistema monofásico de três fios. A perda de energia da área de distribuição é calculada como:

Na fórmula, R_L é a resistência da linha, R_dz é a resistência equivalente da linha de baixa tensão (unidade: Ω); U é 10 kV, T é 8760 h (horas anuais de operação), e U_pj é 0,38 kV (tensão média no lado de baixa tensão). ΔP é a energia ativa registrada pela medição secundária (unidade: kWh); ΔQ é a energia reativa registrada pela medição secundária (unidade: kWh); K é o coeficiente de correção relacionado ao perfil de carga, com valor de 1,8.

1.2 Modo de Distribuição Monofásica (Lado de Alta Tensão Conectado à Tensão de Fase)

O lado de alta tensão adota o modo de distribuição monofásica e está conectado entre as tensões de fase. O lado de baixa tensão usa o sistema monofásico de três fios. A fórmula de cálculo da perda de energia da área de distribuição é a seguinte:

2 Comparação de Aplicações em Diferentes Cenários

Tomando uma certa região como exemplo, foram selecionados vários cenários típicos de aplicação para comparar a economia dos métodos de distribuição monofásica e trifásica em diferentes áreas de estação. (Considerando um ciclo de vida de 15 anos e um preço de eletricidade de 0,6083 yuan/kWh)

2.1 Pequenas Vilas com Cargas Espalhadas

A Vila #1 tem 37 usuários residenciais, incluindo 33 usuários monofásicos e 4 usuários trifásicos. A capacidade do transformador de distribuição é 100 kVA, a linha de 10 kV tem 838 metros de comprimento, a linha de baixa tensão tem 2170 metros de comprimento, a carga máxima é 40 kW, e as horas de perda anual são 3400 horas.

• Fornecimento trifásico: O investimento é aproximadamente 401.000 yuan, e a perda econômica total ao longo do ciclo de vida é de cerca de 125.000 yuan.

• Fornecimento híbrido monofásico/trifásico: O investimento é de cerca de 512.000 yuan, e a perda econômica total é de aproximadamente 38.000 yuan.

Conclusão: O investimento total do sistema híbrido é cerca de 24.000 yuan maior que o sistema trifásico.

2.2 Vilas Inacessíveis por Linhas de Alta Tensão

A Vila #2 tem 75 usuários residenciais. A capacidade do transformador de distribuição é 150 kVA, a linha de 10 kV tem 752 metros de comprimento, e a linha de baixa tensão tem 1583 metros de comprimento. Limitado pelo corredor de linha, a linha de 10 kV não pode fornecer energia próxima, resultando em um comprimento máximo de linha pós-medidor de cerca de 1008 metros e uma tensão mínima de 179 V no final da linha. A carga máxima é 88 kW, e as horas de perda anual são 3400 horas.

• Fornecimento trifásico: O investimento é aproximadamente 334.000 yuan, e a perda econômica total ao longo do ciclo de vida é de cerca de 195.000 yuan.

• Fornecimento monofásico: Usando transformadores monofásicos de 10 kVA e 20 kVA, o investimento é de cerca de 468.000 yuan, e a perda econômica total é de aproximadamente 27.000 yuan.

Conclusão: O sistema monofásico economiza cerca de 34.000 yuan no investimento total em comparação com o sistema trifásico.

2.3 Grandes Vilas com Cargas Concentradas

A Vila #3 tem 210 usuários residenciais, incluindo 209 usuários monofásicos e 1 usuário trifásico. A capacidade do transformador de distribuição é 400 kVA, a linha de 10 kV tem 855 metros de comprimento, a linha de baixa tensão tem 1968 metros de comprimento, a carga máxima é 120 kW, e as horas de perda anual são 3400 horas.

• Fornecimento trifásico: O investimento é aproximadamente 427.000 yuan, e a perda econômica total ao longo do ciclo de vida é de cerca de 226.000 yuan.

• Fornecimento híbrido monofásico/trifásico: Substituindo o transformador original por um transformador trifásico de 100 kVA e usando transformadores monofásicos de 10 kVA/20 kVA para cargas remotas, o investimento é de cerca de 710.000 yuan, e a perda econômica total é de aproximadamente 61.000 yuan.

Conclusão: O investimento total do sistema híbrido é cerca de 118.000 yuan maior que o sistema trifásico.

2.4 Áreas de Carga de Ruas Urbanas

O Mercado #4 tem 171 usuários (todos monofásicos), com cargas distribuídas ao longo de ambos os lados de uma rua urbana (mistura de residencial e comercial). A capacidade do transformador de distribuição é 500 kVA, a linha de 10 kV tem 385 metros de comprimento, a linha de baixa tensão tem 748 metros de comprimento, a carga máxima é 375 kW, e as horas de perda anual são 3400 horas.

• Fornecimento trifásico: O investimento é aproximadamente 250.000 yuan, e a perda econômica total ao longo do ciclo de vida é de cerca de 751.000 yuan.

• Fornecimento monofásico: Usando transformadores monofásicos de 10 kVA e 20 kVA, o investimento é de cerca de 419.000 yuan, e a perda econômica total é de aproximadamente 291.000 yuan.

O sistema monofásico economiza cerca de 291.000 yuan no investimento total em comparação com o sistema trifásico, e a aplicação dos métodos de distribuição de energia nesses cenários típicos é mostrada na Tabela 1.

3 Análise da Aplicabilidade da Distribuição Monofásica

Em áreas urbanas com alta densidade de carga, a distribuição monofásica não é adequada por duas razões: 1) Custos de investimento mais altos devido à falta de economias de escala nos transformadores; 2) Potencial limitado de redução de perdas em linhas de baixa tensão curtas.

Áreas rurais com demanda de energia trifásica (por exemplo, irrigação de terras agrícolas) requerem sistemas de fornecimento híbridos monofásicos/trifásicos. Opte por conexões monofásicas fase-a-fase para evitar reformas caras nas alimentações de 10 kV.

Limiares Econômicos

• Capacidades dos transformadores: 50/100/150/200 kVA

• Comprimentos de linha: 1–3 km (em incrementos de 0,5 km)

• Carga máxima: 50% da capacidade do transformador

• Horas de perda anual: 3.400

A análise quantitativa revela que a rentabilidade varia com o comprimento da linha e a carga. Sistemas híbridos ajudam a otimizar o investimento e minimizar as perdas.

4 Conclusões Principais

Em resumo, o investimento e as perdas nos transformadores de distribuição exibem economias de escala. O uso em larga escala da distribuição monofásica não é a abordagem ideal. Sua viabilidade econômica deve ser avaliada com base tanto no comprimento das linhas de distribuição quanto no consumo de eletricidade. Geralmente, quando a capacidade de um transformador de distribuição trifásico em uma área de estação atinge 150 kVA e o comprimento da linha de baixa tensão excede 1,5 quilômetros, a conversão do modo de distribuição trifásica para o monofásico é economicamente favorável.