Desarrollo de Prototipo de Transformador Monofásico de Distribución de 20 kV

1. Diseño del transformador de distribución monofásico de 20 kV

Los sistemas de distribución de 20 kV suelen adoptar líneas de cable o redes mixtas de cable y línea aérea, y el punto neutro generalmente está conectado a tierra a través de una pequeña resistencia. Cuando se produce un aterramiento monofásico, no habrá el problema de que la tensión de fase aumente más de √3 veces como en el caso de una falla monofásica en un sistema de 10 kV. Por lo tanto, el transformador de distribución monofásico del sistema de 20 kV puede adoptar el tipo de aterramiento al final del devanado. Esto puede reducir el aislamiento principal del transformador de distribución monofásico, haciendo que el volumen y el costo del transformador de distribución monofásico de 20 kV no sean muy diferentes de los del de 10 kV.

2. Selección de tensiones de impulso y de prueba

Para el nivel básico de impulso (BIL) y el nivel de prueba de aislamiento del transformador de distribución monofásico de 20 kV, las consideraciones son las siguientes:

La norma estadounidense ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) estipula que el nivel básico de impulso (BIL) del lado de alta tensión (20 kV) es de 125 kV; la tensión nominal del componente de alta tensión es de 15.2 kV, y la tensión de prueba alterna (60 Hz/min) es de 40 kV.

La prueba de aislamiento estipula que no se requiere la prueba de tensión aplicada, pero debe realizarse la prueba de tensión inducida. Durante la prueba, después de aplicar una tensión al terminal de salida de un devanado, la tensión de cada terminal de salida de alta tensión a tierra alcanza 1 kV más 3.46 veces la tensión nominal del devanado del transformador. Es decir, en la prueba de inducción (prueba de doble frecuencia y doble tensión), la alta tensión es:

2.1 Lado de baja tensión (240/120 V)

• Nivel Básico de Impulso (BIL): 30 kV

• Tensión de Prueba Alterna (60 Hz/min): 10 kV

2.2 Según las Regulaciones Nacionales de China para la Supervisión de Calidad de Transformadores

• Lado de alta tensión:

• Nivel Básico de Impulso (BIL): 125 kV (onda completa), 140 kV (onda cortada)

• Tensión Inducida de Prueba Alterna (200 Hz/min): 40 kV

• Lado de baja tensión:

• Tensión Aplicada (50 Hz/min): 4 kV

3. Estructura y características de los transformadores de distribución monofásicos de 20 kV

Se prototiparon dos especificaciones (50 kVA y 80 kVA), ambas adoptando una estructura de hierro externo. Para reducir el aislamiento principal, se agregó una estructura de aislamiento en el extremo. Se utiliza un único casquillo para la salida. El extremo del devanado de alta tensión está conectado a tierra y unido al tanque. El devanado de baja tensión tiene una estructura de un solo devanado.

3.1 Comparación de rendimiento técnico entre los transformadores de distribución monofásicos prototipados de 20 kV y 10 kV

• La comparación de pérdidas entre 20 kV y 10 kV (tomando como ejemplos 50 kVA y 80 kVA) se muestra en la Tabla 1.

• La comparación de peso entre 20 kV y 10 kV (tomando como ejemplos 50 kVA y 80 kVA) se muestra en la Tabla 2.

4. Transformador de distribución monofásico dual-voltaje 20 kV∥10 kV

La actualización de un sistema de distribución de 10 kV a uno de 20 kV implica reemplazar equipos clave como los transformadores de distribución. Los costos altos de reemplazo y las interrupciones de energía que afectan la producción hacen que diseñar un transformador monofásico dual-voltaje (10 kV/20 kV) sea una solución para aliviar estos problemas.

4.1 Diseño

Basado en el transformador de distribución monofásico de núcleo enrollado de 10 kV, esta variante de doble voltaje aprovecha la relación 20 kV = 2×10 kV, utilizando devanados primarios en serie-paralelo. Con dos devanados de alta tensión en paralelo, dos columnas de núcleo obtienen devanados de alta tensión/baja tensión (devanados de alta tensión en paralelo). Dos devanados de baja tensión en serie en el "punto medio" producen ±220 V a tierra para dos usuarios. Deje que W₁ (vueltas de alta tensión) y W₂ (vueltas de baja tensión). En paralelo, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, y la corriente total de alta tensión duplica la de un solo devanado. En serie, la corriente de entrada de alta tensión es igual a la corriente del devanado.

4.2 Aplicación de conmutación

La capacidad permanece constante para entradas de alta tensión de 20 kV o 10 kV. Con entrada de 20 kV, dos devanados de alta tensión en serie significan que cada uno soporta 10 kV. Con corriente de alta tensión I₁, la capacidad S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Al cambiar a 10 kV, los devanados de alta tensión en paralelo dan una corriente de entrada de 2I₁, por lo que S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Por lo tanto, S₁ = S₂).

4.3 Estructura

• La estructura coincide con la del transformador monofásico de núcleo enrollado (patente No. 4612429).

• El cambio de tensión 10 kV/20 kV utiliza un cambiador de tomas de derivación confiable con tira de contacto.

• El aislamiento cumple con los estándares de transformadores de 20 kV de la IEC (tensión de impulso nominal: 125 kV).

• El ruido cumple con las especificaciones técnicas de la IEC y las empresas de electricidad relevantes.

4.4 Ventajas del transformador monofásico de doble voltaje

• Ahorro de Energía：La pérdida en línea del sistema de distribución de 20 kV es el 25% de la del sistema de distribución de 10 kV, logrando un ahorro de energía del 75%. Al adoptar la tecnología de núcleo enrollado monofásico en este diseño, la pérdida sin carga del transformador es un 30% menor que la del transformador de distribución S11 actualmente en uso.

• Ahorro en Costos de Construcción：Durante la actualización de 10 kV a 20 kV, solo se necesita un interruptor de conmutación para cambiar la tensión. Esto reduce el tiempo de interrupción de energía, y todo el proceso operativo se puede completar en solo unos minutos.

5. Conclusión

• La mayoría de los puntos neutros del sistema de 20 kV están conectados a tierra a través de un sistema de pequeña resistencia. Por lo tanto, es más fácil manejar el aislamiento principal de los transformadores monofásicos a nivel de 20 kV en comparación con el nivel de 10 kV.

• La pérdida de carga de los transformadores monofásicos de clase 20 kV está en el mismo nivel que la de los de clase 10 kV; su peso también está en un nivel comparable. En términos de pérdida sin carga, 20 kV es menor que 10 kV. En cuanto a la impedancia, el transformador monofásico de 20 kV es un 20% mayor que el de 10 kV.

• El transformador monofásico de 20 kV es relativamente económico. Su precio no diferirá significativamente del de los transformadores monofásicos de clase 10 kV.

• El transformador de distribución monofásico de doble voltaje 20 kV∥10 kV puede utilizarse tanto en sistemas de distribución de 10 kV como de 20 kV. Al actualizar un sistema de 10 kV a uno de 20 kV, no es necesario reemplazar el transformador; basta con cambiar el interruptor de conmutación. Es un método relativamente económico y conveniente.