Прототипна разработка на 20 кВ еднофазен дистрибутивен трансформатор

1. Проектиране на единнофазен трансформатор за разпределение на 20 кВ

Системите за разпределение на 20 кВ обикновено използват кабелни линии или смесени мрежи от кабели и въздушни линии, а нейтралната точка е най-често заземена чрез малко съпротивление. При настъпване на единнофазно заземяване няма проблем, свързан с повишаването на фазното напрежение над √3 пъти, както при единнофазна авария в системата на 10 кВ. Следователно, единнофазният трансформатор за разпределение на 20 кВ може да използва тип заземяване на края на бобината. Това може да намали основната изолация на единнофазния трансформатор за разпределение, като размерът и цената на единнофазния трансформатор за разпределение на 20 кВ не са много различни от тези на 10 кВ.

2. Избор на импулсни и пробни напрежения

За основното импулсно ниво (BIL) и нивото на изпитателно напрежение на единнофазния трансформатор за разпределение на 20 кВ се правят следните разглеждания:

Американският национален стандарт ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) поставя, че основното импулсно ниво (BIL) на високонапрегнатата страна (20 кВ) е 125 кВ; номиналното напрежение на високонапрегнатата компонента е 15.2 кВ, а изпитателното AC напрежение (60 Hz/min) е 40 кВ.

Изпитателните изисквания предвиждают, че пробното напрежение не е необходимо, но трябва да се извърши индуцирано напрежение. По време на теста, след прилагане на напрежение към изходния терминал на една бобина, напрежението между всеки високонапрегнат изходен терминал и земята достига 1 кВ плюс 3.46 пъти номиналното напрежение на бобината на трансформатора. Тоест, при индукционния тест (с удвоена честота и удвоено напрежение), високонапрегнатото напрежение е:

2.1 Нисконапрегната страна (240/120 В)

• Основно импулсно ниво (BIL): 30 кВ

• Изпитателно AC напрежение (60 Hz/min): 10 кВ

2.2 Според Китайските национални правила за контрол на качеството на трансформаторите

• Високонапрегната страна:

• Основно импулсно ниво (BIL): 125 кВ (полувълна), 140 кВ (изрязана вълна)

• Индуктивно изпитателно AC напрежение (200 Hz/min): 40 кВ

• Нисконапрегната страна:

• Приложено напрежение (50 Hz/min): 4 кВ

3. Структура и характеристики на единнофазни трансформатори за разпределение на 20 кВ

Две спецификации (50 кВА и 80 кВА) бяха прототипирани, които използват конструкция с железо отвън. За намаляване на основната изолация, беше добавена конструкция с изолация на края. Използва се единичен бушинг за извеждане. Краят на високонапрегнатата бобина е заземен и свързан с резервоара. Нисконапрегнатата обмотка е с еднобобинна структура.

3.1 Сравнение на техническите характеристики между прототипираният 20 кВ и 10 кВ единнофазен трансформатор за разпределение

• Сравнение на загубите между 20 кВ и 10 кВ (като пример се взимат 50 кВА и 80 кВА) е показано в таблица 1.

• Сравнение на теглото между 20 кВ и 10 кВ (като пример се взимат 50 кВА и 80 кВА) е показано в таблица 2.

4. Единнофазен двунапрегнат трансформатор за разпределение 20 кВ∥10 кВ

Обновяването на система за разпределение на 10 кВ до 20 кВ включва замяна на ключово оборудване, като трансформатори за разпределение. Високите разходи за замяна и прекъсванията на електроенергията, които прекъсват производството, правят проектирането на двунапрегнат (10 кВ/20 кВ) единнофазен трансформатор решение, което облекчава тези проблеми.

4.1 Проектиране

На базата на единнофазния трансформатор за разпределение с обвито ядро на 10 кВ, този двунапрегнат вариант използва отношениято 20 кВ = 2×10 кВ, използвайки серийно-паралелни основни бобини. С две паралелни високонапрегнати бобини, две колони на ядрото получават високонапрегнати/нисконапрегнати обмотки (високонапрегнатите бобини са паралелни). Две нисконапрегнати бобини в сериен режим на „средната точка“ извеждат ±220 В - земя за два потребителa. Нека W₁ (число обиколки на високонапрегнатата бобина) и W₂ (число обиколки на нисконапрегнатата бобина). В паралел, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 кВ/220В, а общата високонапрегната токова величина е удвоена спрямо една бобина. В сериен режим, входящият високонапрегнат ток е равен на тока на бобината.

4.2 Применение на превключване

Капацитетът остава постоянен за високонапрегнат вход на 20 кВ или 10 кВ. При вход на 20 кВ, две високонапрегнати бобини в сериен режим означава, че всяка понася 10 кВ. С високонапрегнат ток I₁, капацитетът S₁ = I₁×20 = 20I₁(кВА). При превключване на 10 кВ, паралелните високонапрегнати бобини дават 2I₁ входящ ток, така че S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (кВА). Следователно, S₁ = S₂).

4.3 Структура

• Структурата съответства на единнофазния трансформатор с обвито ядро (патент № 4612429).

• Превключването на напрежението 10 кВ/20 кВ използва надежден контактен превключвател с превключвателни полоси.

• Изолацията отговаря на стандарти на IEC за трансформатори на 20 кВ (номинално импулсно напрежение: 125 кВ).

• Шумът отговаря на стандарти на IEC и технически спецификации на съответните електроенергийни компании.

4.4 Преимущества на единнофазния двунапрегнат трансформатор

• Спестяване на енергия：Загубите в линията на системата за разпределение на 20 кВ са 25% от тези на системата на 10 кВ, постигайки 75% спестявание на енергия. Чрез използването на технологията с единнофазно обвито ядро в този дизайн, безнагрузковата загуба на трансформатора е с 30% по-ниска от тази на сегашния използван S11-тип трансформатор за разпределение.

• Спестяване на разходи за строителство：По време на обновяването от 10 кВ до 20 кВ, е необходим само превключвател за превключване на напрежението. Това намалява времето на прекъсване на електроенергията, а целият операционен процес може да бъде завършен само за няколко минути.

5. Заключение

• Большинството нейтрални точки на системата на 20 кВ са заземени чрез система с малко съпротивление. Следователно, е по-лесно да се справим с основната изолация на единнофазните трансформатори на ниво 20 кВ в сравнение с ниво 10 кВ.

• Загубите под нагрузка на единнофазните трансформатори на клас 20 кВ са на същото ниво като тези на 10 кВ; теглото им също е сравнимо. В отношение на безнагрузковите загуби, 20 кВ е по-ниско от 10 кВ. В отношение на импеданса, единнофазният трансформатор на 20 кВ е с 20% по-висок от този на 10 кВ.

• Единнофазният трансформатор на 20 кВ е относително икономичен. Цената му няма да се различава значително от тази на единнофазните трансформатори на клас 10 кВ.

• Единнофазният двунапрегнат трансформатор за разпределение 20 кВ∥10 кВ може да бъде използван както в системи за разпределение на 10 кВ, така и на 20 кВ. При обновяване на система на 10 кВ до 20 кВ, няма нужда да се заменя трансформаторът; достатъчно е просто да се превключи превключвателя. Това е относително икономично и удобно решение.