Prototypenentwicklung eines 20 kV Einphasen-Verteilungstransformators

1. Entwurf eines 20 kV Einphasen-Verteilungstransformators

20 kV Verteilungssysteme verwenden in der Regel Kabelleitungen oder gemischte Kabel-Luftleitung-Netzwerke, und der Neutralpunkt ist meist durch einen kleinen Widerstand geerdet. Bei einer Einphasen-Erde-Fehlerspannung wird das Phasenspannung nicht wie im Fall eines Einphasen-Fehlers in einem 10 kV-System um mehr als √3-mal steigen. Daher kann der Einphasen-Verteilungstransformator des 20 kV-Systems den Typ der Erde am Ende der Spule annehmen. Dies kann die Hauptisolierung des Einphasen-Verteilungstransformators reduzieren, wodurch das Volumen und die Kosten des 20 kV Einphasen-Verteilungstransformators nicht sehr von denen eines 10 kV-Transformators abweichen.

2. Auswahl von Impuls- und Prüfspannungen

Für das Grundimpulsniveau (BIL) und das Isolationsprüflevel des 20 kV Einphasen-Verteilungstransformators gelten folgende Überlegungen:

Die amerikanische Norm ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) legt fest, dass das Grundimpulsniveau (BIL) der Hochspannungsseite (20 kV) 125 kV beträgt; die Nennspannung der Hochspannungskomponente beträgt 15.2 kV, und die Wechselstrom-Brechspannung (60 Hz/min) beträgt 40 kV.

Die Isolationsprüfung legt fest, dass keine angewandte Spannungsprüfung erforderlich ist, aber eine induzierte Spannungsprüfung durchgeführt werden muss. Während der Prüfung erreicht die Spannung jedes Hochspannungs-Ausgangsterminales zur Erde, nachdem eine Spannung auf dem Ausgangsterminal einer Wicklung angelegt wurde, 1 kV plus 3,46-mal die Nennspannung der Transformatorwicklung. Das bedeutet, bei der Induktionsprüfung (Frequenzverdopplungs- und Spannungsverdopplungsprüfung) beträgt die Hochspannung:

2.1 Niederspannungsseite (240/120 V)

• Grundimpulsniveau (BIL): 30 kV

• Wechselstrom-Brechspannung (60 Hz/min): 10 kV

2.2 Gemäß den chinesischen nationalen Qualitätsüberwachungsprüfverordnungen für Transformatoren

• Hochspannungsseite:

• Grundimpulsniveau (BIL): 125 kV (volle Welle), 140 kV (abgeschnittene Welle)

• Wechselstrom-induzierte Brechspannung (200 Hz/min): 40 kV

• Niederspannungsseite:

• Angewandte Spannung (50 Hz/min): 4 kV

3. Struktur und Merkmale von 20 kV Einphasen-Verteilungstransformatoren

Zwei Spezifikationen (50 kVA und 80 kVA) wurden prototypisiert, beide mit einer äußeren Eisenstruktur. Um die Hauptisolierung zu reduzieren, wurde eine Endisolierstruktur hinzugefügt. Für die Führrungen wird ein einzelnes Buchselement verwendet. Das Ende der Hochspannungsspule ist geerdet und mit dem Tank verbunden. Die Niederspannungswicklung hat eine Einfachspulenstruktur.

3.1 Technischer Leistungsvergleich zwischen prototypisierten 20 kV und 10 kV Einphasen-Verteilungstransformatoren

• Verlustvergleich zwischen 20 kV und 10 kV (am Beispiel von 50 kVA und 80 kVA) siehe Tabelle 1.

• Gewichtsvergleich zwischen 20 kV und 10 kV (am Beispiel von 50 kVA und 80 kVA) siehe Tabelle 2.

4. 20 kV∥10 kV Einphasen-Zweispannungs-Verteilungstransformator

Das Upgrade eines 10 kV- auf ein 20 kV-Verteilungssystem beinhaltet den Austausch von Schlüsselausrüstung wie Verteilungstransformatoren. Hohe Kosten für den Austausch und Stromausfälle, die die Produktion stören, machen den Entwurf eines Zweispannungs- (10 kV/20 kV) Einphasen-Transformators zu einer Lösung, um diese Probleme zu mildern.

4.1 Design

Basierend auf dem 10 kV gewickelten Kern Einphasen-Verteilungstransformator nutzt diese Zweispannungs-Variante das Verhältnis 20 kV = 2×10 kV, indem Serien-Parallel-Primärwicklungen verwendet werden. Mit zwei parallelen Hochspannungswicklungen erhalten zwei Kernsäulen Hochspannungs-/Niederspannungswicklungen (Hochspannungswicklungen parallel). Zwei Niederspannungswicklungen in Serie geben am „Mittelpunkt“ ±220 V - Erdung für zwei Benutzer aus. Sei W₁ (Hochspannungsdrehungen) und W₂ (Niederspannungsdrehungen). In Parallel, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, und der Gesamthochspannungsstrom verdoppelt sich gegenüber dem einer einzelnen Spule. In Serie ist der Hochspannungseingangsstrom gleich dem Spulenstrom.

4.2 Schaltanwendung

Die Kapazität bleibt konstant, unabhängig davon, ob 20 kV oder 10 kV Hochspannung eingeführt wird. Bei 20 kV Eingang sind zwei Hochspannungsspulen in Serie, sodass jede 10 kV trägt. Mit Hochspannungsstrom I₁ beträgt die Kapazität S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Bei 10 kV geben parallele Hochspannungsspulen 2I₁ Eingangsstrom, also S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Somit, S₁ = S₂).

4.3 Struktur

• Struktur entspricht dem Einphasen-gewickelten-Kern-Transformator (Patent-Nr. 4612429).

• 10 kV/20 kV Spannungsschaltung erfolgt über einen zuverlässigen Kontaktstreifen-Spannungsumschalter.

• Isolierung entspricht den IEC-20 kV-Transformatornormen (Nennimpulsspannung: 125 kV).

• Lärm entspricht den IEC- und relevanten Energierversorgungsunternehmens-technischen Spezifikationen.

4.4 Vorteile des Einphasen-Zweispannungs-Transformators

• Energieeinsparung: Der Leitungsausfall des 20 kV-Verteilungssystems beträgt 25% des 10 kV-Verteilungssystems, was eine Energieeinsparung von 75% bedeutet. Durch die Verwendung der Einphasen-gewickelten-Kern-Technologie in diesem Design ist der Leerlaufverlust des Transformators 30% geringer als bei dem aktuell verwendeten S11-Typ-Verteilungstransformator.

• Kosteneinsparung beim Bau: Beim Upgrade von 10 kV auf 20 kV ist nur ein Umschalter erforderlich, um die Spannung zu wechseln. Dies reduziert die Dauer der Stromausfälle, und der gesamte Prozess kann innerhalb weniger Minuten abgeschlossen werden.

5. Fazit

• Die meisten Neutralpunkte des 20 kV-Systems sind durch ein kleiner-Widerstands-System geerdet. Daher ist es einfacher, die Hauptisolierung von Einphasen-Transformatoren auf 20 kV-Ebene im Vergleich zur 10 kV-Ebene zu handhaben.

• Der Lastverlust von 20 kV-Klasse Einphasen-Transformatoren liegt auf dem gleichen Niveau wie bei 10 kV-Klasse; ihr Gewicht ist ebenfalls vergleichbar. Im Hinblick auf den Leerlaufverlust ist 20 kV niedriger als 10 kV. Hinsichtlich des Widerstands ist der 20 kV Einphasen-Transformator 20% höher als der 10 kV-Transformator.

• Der 20 kV Einphasen-Transformator ist relativ kostengünstig. Sein Preis wird sich nicht erheblich von dem der 10 kV-Klasse Einphasen-Transformatoren unterscheiden.

• Der 20 kV∥10 kV Einphasen-Zweispannungs-Verteilungstransformator kann sowohl in 10 kV- als auch in 20 kV-Verteilungssystemen eingesetzt werden. Beim Upgrade eines 10 kV-Systems auf ein 20 kV-System ist es nicht notwendig, den Transformator zu ersetzen; es reicht, den Umschalter zu wechseln. Es ist eine relativ kostengünstige und bequeme Methode.