Desenvolupament de prototip de transformador de distribució monofàsic de 20 kV

1. Disseny del transformador de distribució monofàsic de 20 kV

Els sistemes de distribució de 20 kV solen utilitzar línies de cable o xarxes mixtes de cable i línia aèria, i el punt neutre sovint està connectat a terra mitjançant una petita resistència. Quan es produeix un apujol de terra monofàsic, no hi ha el problema que la tensió de fase s'eleve més d'un factor de √3 com en el cas d'un defecte monofàsic en un sistema de 10 kV. Per tant, el transformador de distribució monofàsic del sistema de 20 kV pot adoptar el tipus de connectar la part final de la bobina a terra. Això pot reduir l'aislament principal del transformador de distribució monofàsic, fent que el volum i el cost del transformador de distribució monofàsic de 20 kV no siguin molt diferents dels d'un de 10 kV.

2. Selecció de tensions d'impuls i de prova

Per al nivell bàsic d'impuls (BIL) i el nivell d'aislament de prova del transformador de distribució monofàsic de 20 kV, les consideracions són les següents:

La norma americana ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) estableix que el nivell bàsic d'impuls (BIL) del costat de alta tensió (20 kV) és de 125 kV; la tensió nominal del component de alta tensió és de 15,2 kV, i la tensió d'assoliment alterna (60 Hz/min) és de 40 kV.

L'aislament de prova estableix que no cal fer la prova de tensió aplicada, però s'ha de realitzar la prova de tensió induïda. Durant la prova, després d'aplicar una tensió a la terminal de sortida d'una bobina, la tensió de cada terminal de sortida de alta tensió a terra arriba a 1 kV més 3,46 vegades la tensió nominal de la bobina del transformador. És a dir, en la prova d'inducció (prova de doble freqüència i doble tensió), la tensió d'alta és:

2.1 Costat de baixa tensió (240/120 V)

• Nivell bàsic d'impuls (BIL): 30 kV

• Tensió d'assoliment alterna (60 Hz/min): 10 kV

2.2 Segons les regulacions de prova de qualitat de transformadors nacionals de la Xina

• Costat de alta tensió:

• Nivell bàsic d'impuls (BIL): 125 kV (ona completa), 140 kV (ona tallada)

• Tensió d'assoliment induïda alterna (200 Hz/min): 40 kV

• Costat de baixa tensió:

• Tensió aplicada (50 Hz/min): 4 kV

3. Estructura i característiques dels transformadors de distribució monofàsics de 20 kV

Es van prototipar dues especificacions (50 kVA i 80 kVA), ambdós adoptant una estructura externa de ferro. Per reduir l'aislament principal, s'afegí una estructura d'aislament final. Es fa servir un únic embornador per la derivació. La part final de la bobina de alta tensió està connectada a terra i a la cassa. L'enrotllament de baixa tensió té una estructura de bobina única.

3.1 Comparació de rendiment tècnic entre els transformadors de distribució monofàsics prototipats de 20 kV i 10 kV

• La comparació de pèrdues entre 20 kV i 10 kV (prenent com a exemples 50 kVA i 80 kVA) es mostra a la Taula 1.

• La comparació de pes entre 20 kV i 10 kV (prenent com a exemples 50 kVA i 80 kVA) es mostra a la Taula 2.

4. Transformador de distribució monofàsic dual de 20 kV∥10 kV

La millora d'un sistema de distribució de 10 kV a un de 20 kV implica reemplaçar equips clau com els transformadors de distribució. Els reemplaços de gran cost i les interrupcions d'energia que interrompen la producció fan que el disseny d'un transformador monofàsic de doble tensió (10 kV/20 kV) sigui una solució per atenuar aquests problemes.

4.1 Disseny

Basat en el transformador de distribució monofàsic de nucli envoltat de 10 kV, aquesta variació de doble tensió aprovecha la relació 20 kV = 2×10 kV, utilitzant bobines primàries en sèrie-paral·lel. Amb dues bobines de alta tensió en paral·lel, dos pilars de nucli tenen enrotllaments de alta tensió/baixa tensió (bobines de alta tensió en paral·lel). Dues bobines de baixa tensió en sèrie a la "mitjana" produeixen ±220 V - terra per a dos usuaris. Sigui W₁ (voltants de alta tensió) i W₂ (voltants de baixa tensió). En paral·lel, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, i la corrent total de alta tensió es duplica respecte a una sola bobina. En sèrie, la corrent d'entrada de alta tensió és igual a la corrent de la bobina.

4.2 Aplicació de commutació

La capacitat roman consistent per a entrades de tensió de 20 kV o 10 kV. Amb una entrada de 20 kV, dues bobines de alta tensió en sèrie significaven que cada una suportava 10 kV. Amb la corrent de alta tensió I₁, la capacitat S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Commutat a 10 kV, les bobines de alta tensió en paral·lel donaven una corrent d'entrada de 2I₁, així que S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Per tant, S₁ = S₂).

4.3 Estructura

• L'estructura coincideix amb la del transformador de distribució monofàsic de nucli envoltat (patent No. 4612429).

• La commutació de tensió de 10 kV/20 kV utilitza un selector de punts de connexió fiable.

• L'aislament compleix amb les normes IEC per a transformadors de 20 kV (tensió d'impuls nominal: 125 kV).

• El soroll compleix amb les especificacions tècniques de l'IEC i les companyies d'electricitat rellevants.

4.4 Avantatges del transformador monofàsic de doble tensió

• Economia d'energia: La pèrdua de línia del sistema de distribució de 20 kV és el 25% de la del sistema de 10 kV, assolint un estalvi energètic del 75%. Adoptant la tecnologia de nucli envoltat en aquest disseny, la pèrdua sense càrrega del transformador és un 30% inferior a la del transformador de distribució de tipus S11 actualment en ús.

• Economia en costos de construcció: Durant la millora de 10 kV a 20 kV, només es necessita un interruptor de commutació per canviar la tensió. Això redueix el temps d'interrupció de l'energia, i tot el procés operatiu es pot completar en només uns minuts.

5. Conclusió

• La majoria dels punts neutrals del sistema de 20 kV estan connectats a terra mitjançant un sistema de petita resistència. Per tant, és més fàcil gestionar l'aislament principal dels transformadors monofàsics a nivell de 20 kV en comparació amb el de 10 kV.

• Les pèrdues de càrrega dels transformadors monofàsics de classe 20 kV estan al mateix nivell que les de classe 10 kV; també ho està el seu pes. En termes de pèrdues sense càrrega, 20 kV és inferior a 10 kV. Respecte a la impedància, el transformador monofàsic de 20 kV és un 20% superior al de 10 kV.

• El transformador monofàsic de 20 kV és relativament econòmic. El seu preu no diferirà significativament dels transformadors monofàsics de classe 10 kV.

• El transformador de distribució monofàsic de doble tensió de 20 kV∥10 kV es pot utilitzar en sistemes de distribució de 10 kV i 20 kV. Quan es millora un sistema de 10 kV a un de 20 kV, no cal reemplaçar el transformador; només cal commutar l'interruptor. És un mètode relativament econòmic i convenient.