Prototypový vývoj 20 kV jednofázové distribuční transformátor

1. Návrh jednofázového distribučního transformátoru 20 kV

Distribuční systémy 20 kV obvykle používají kabelové linky nebo smíšené kabelové-povrchové sítě a neutrální bod je obvykle zazemlen přes malý odpor. Při výskytu jednofázového zazemlení nedojde k problému, že fázové napětí stoupe více než √3-krát, jak tomu bývá u jednofázové chyby v systému 10 kV. Proto může jednofázový distribuční transformátor systému 20 kV použít typ zazemlení konce cívek. To může snížit hlavní izolaci jednofázového distribučního transformátoru, což způsobí, že objem a náklady na 20 kV jednofázový distribuční transformátor nebudou mnohem větší než u 10 kV transformátoru.

2. Výběr impulsních a zkouškových napětí

Pro základní úroveň impulsního napětí (BIL) a úroveň zkouškového napětí 20 kV jednofázového distribučního transformátoru platí následující:

Americký národní standard ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) stanovuje, že základní úroveň impulsního napětí (BIL) vysokonapěťové strany (20 kV) je 125 kV; nominální napětí vysokonapěťové součástky je 15.2 kV a střídavé zkouškové napětí (60 Hz/min) je 40 kV.

Pravidla pro zkoušku izolace stanovují, že není třeba provést zkoušku aplikovaným napětím, ale musí být provedena zkouška indukovaným napětím. Během zkoušky, po aplikaci napětí na výstupní terminál jedné cívky, dosáhne napětí každého vysokonapěťového výstupního terminálu k zemi 1 kV plus 3,46 krát nominální napětí cívky transformátoru. Jinými slovy, při indukované zkoušce (zkoušce s dvojnásobnou frekvencí a napětím) je vysokonapěťové napětí:

2.1 Níkonapěťová strana (240/120 V)

• Základní úroveň impulsního napětí (BIL): 30 kV

• Střídavé zkouškové napětí (60 Hz/min): 10 kV

2.2 Podle čínských národních pravidel pro kontrolu kvality transformátorů

• Vysokonapěťová strana:

• Základní úroveň impulsního napětí (BIL): 125 kV (celá vlna), 140 kV (zrezaná vlna)

• Indukované zkouškové napětí (200 Hz/min): 40 kV

• Níkonapěťová strana:

• Aplikované napětí (50 Hz/min): 4 kV

3. Struktura a vlastnosti 20 kV jednofázových distribučních transformátorů

Byly vyrobeny prototypy dvou specifikací (50 kVA a 80 kVA), obě s vnější železnou konstrukcí. Pro snížení hlavní izolace byla přidána konstrukce s koncovou izolací. K vedení se používá jediná trubice. Konec vysokonapěťové cívky je zazemlen a spojen s nádrží. Níkonapěťová cívka má jednocívkovou strukturu.

3.1 Porovnání technických vlastností mezi prototypy 20 kV a 10 kV jednofázových distribučních transformátorů

• Porovnání ztrát mezi 20 kV a 10 kV (na příkladu 50 kVA a 80 kVA) je uvedeno v tabulce 1.

• Porovnání hmotnosti mezi 20 kV a 10 kV (na příkladu 50 kVA a 80 kVA) je uvedeno v tabulce 2.

4. 20 kV∥10 kV jednofázový dvojnásobný napěťový distribuční transformátor

Při modernizaci 10 kV na 20 kV distribuční systém je nutné nahradit klíčové zařízení, jako jsou distribuční transformátory. Drahé náhrady a výpadky elektrické energie, které ruší výrobu, dělají z návrhu dvojnásobného napěťového (10 kV/20 kV) jednofázového transformátoru řešení, které pomáhá zmírnit tyto problémy.

4.1 Návrh

Na základě 10 kV jednofázového transformátoru s navinutým jádrem tento dvojnásobný napěťový variant využívá vztahu 20 kV = 2×10 kV pomocí sériově-paralelních primárních civek. S dvěma paralelními vysokonapěťovými cívkami mají dvě sloupce jádra vysokonapěťové/níkonapěťové cívky (vysokonapěťové cívky paralelně). Dvě níkonapěťové cívky jsou sériově spojeny v "středním bodu" pro výstup ±220 V - země pro dva uživatele. Nechť W₁ (počet ovinutí vysokého napětí) a W₂ (počet ovinutí nízkého napětí). V paralelním zapojení je U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, a celkový proud vysokého napětí je dvojnásobný oproti jedné cívce. V sériovém zapojení je proud vstupního vysokého napětí roven proudu cívky.

4.2 Použití přepínání

Kapacita zůstává konzistentní pro vstupy vysokého napětí 20 kV nebo 10 kV. Při vstupu 20 kV jsou dvě vysokonapěťové cívky sériově spojeny, takže každá nese 10 kV. S proudem vysokého napětí I₁ je kapacita S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Při přepnutí na 10 kV, paralelní vysokonapěťové cívky dávají 2I₁ vstupní proud, takže S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Tedy S₁ = S₂).

4.3 Struktura

• Struktura odpovídá jednofázovému transformátoru s navinutým jádrem (patent č. 4612429).

• Přepínání napětí 10 kV/20 kV se provádí spolehlivým kontaktovým páskovým přepínačem.

• Izolace splňuje normy IEC pro transformátory 20 kV (nominální impulsní napětí: 125 kV).

• Hluk odpovídá normám IEC a relevantním technickým specifikacím energetických společností.

4.4 Výhody jednofázového dvojnásobného napěťového transformátoru

• Energetická úspora: Ztráty v distribučním systému 20 kV jsou 25% ztrát v distribučním systému 10 kV, což umožňuje 75% úsporu energie. Použitím jednofázové technologie s navinutým jádrem v tomto návrhu je bezúčelná ztráta transformátoru 30% nižší než u současně používaného distribučního transformátoru typu S11.

• Úspory na nákladech stavby: Při modernizaci z 10 kV na 20 kV stačí pouze přepínací spínač pro přepnutí napětí. To snižuje dobu výpadku elektřiny a celý operační proces lze dokončit během několika minut.

5. Závěr

• Většina neutrálních bodů systému 20 kV je zazemlena přes malý odpor. Proto je snazší zpracovat hlavní izolaci jednofázových transformátorů na úrovni 20 kV oproti 10 kV.

• Ztráty na zatížení u třídy 20 kV jednofázových transformátorů jsou na stejné úrovni jako u třídy 10 kV; jejich hmotnost je také srovnatelná. Pokud jde o bezúčelné ztráty, 20 kV jsou nižší než 10 kV. Co se týče impedance, 20 kV jednofázový transformátor je 20% vyšší než 10 kV transformátor.

• 20 kV jednofázový transformátor je relativně ekonomický. Jeho cena nebude značně lišit od ceny 10 kV třídy jednofázových transformátorů.

• 20 kV∥10 kV jednofázový dvojnásobný napěťový distribuční transformátor lze použít v distribučních systémech 10 kV i 20 kV. Při modernizaci systému 10 kV na 20 kV není třeba transformátor měnit; stačí pouze přepnout přepínací spínač. Je to relativně ekonomická a pohodlná metoda.