توسعه پروتوتیپ ترانسفورماتور توزیع یک‌فازه ۲۰ کیلوولت

1. 20 کیلوولت تک‌فاز ترانسفورماتور توزیع را طراحی کردن

سیستم‌های توزیع 20 کیلوولت معمولاً از خطوط کابلی یا شبکه‌های ترکیبی کابل-خط هوایی استفاده می‌کنند و نقطه نوتروال آنها بیشتر از طریق مقاومت کوچک زمین شده است. هنگامی که یک خرابی تک‌فازی رخ می‌دهد، مشکلی پیش نخواهد آمد که ولتاژ فازی بیش از √3 برابر شود، مانند حالت خرابی تک‌فازی در سیستم 10 کیلوولت. بنابراین، ترانسفورماتور تک‌فاز سیستم 20 کیلوولت می‌تواند نوع زمین شدن سریپی کویل را اتخاذ کند. این کار می‌تواند عایق اصلی ترانسفورماتور تک‌فاز را کاهش دهد، به طوری که حجم و هزینه ترانسفورماتور تک‌فاز 20 کیلوولت با 10 کیلوولت تفاوت زیادی نداشته باشد.

2. انتخاب ولتاژهای ضربه‌ای و آزمونی

برای سطح ضربه‌ای اساسی (BIL) و سطح آزمون عایق ترانسفورماتور تک‌فاز 20 کیلوولت، ملاحظات زیر وجود دارد:

استاندارد ملی آمریکایی ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) مقرر می‌کند که سطح ضربه‌ای اساسی (BIL) سمت فشار قوی (20 کیلوولت) 125 کیلوولت است؛ ولتاژ اسمی مؤلفه فشار قوی 15.2 کیلوولت و ولتاژ تحمل متناوب (60 هرتز/دقیقه) 40 کیلوولت است.

آزمون عایق می‌گوید که آزمون ولتاژ اعمالی الزامی نیست، اما آزمون ولتاژ القایی باید انجام شود. در طول آزمون، پس از اعمال ولتاژ به سریعه خروجی یک کویل، ولتاژ هر سریعه خروجی فشار قوی به زمین به 1 کیلوولت به اضافه 3.46 برابر ولتاژ اسمی کویل ترانسفورماتور می‌رسد. یعنی در آزمون القایی (آزمون دوبرابری فرکانس و ولتاژ)، ولتاژ فشار قوی:

2.1 سمت فشار کم (240/120 V)

• سطح ضربه‌ای اساسی (BIL): 30 کیلوولت

• ولتاژ تحمل متناوب (60 هرتز/دقیقه): 10 کیلوولت

2.2 بر اساس مقررات آزمون کیفیت ترانسفورماتور ملی چین

• سمت فشار قوی:

• سطح ضربه‌ای اساسی (BIL): 125 کیلوولت (امپول کامل)، 140 کیلوولت (امپول بریده)

• ولتاژ تحمل القایی متناوب (200 هرتز/دقیقه): 40 کیلوولت

• سمت فشار کم:

• ولتاژ اعمالی (50 هرتز/دقیقه): 4 کیلوولت

3. ساختار و ویژگی‌های ترانسفورماتورهای تک‌فاز توزیع 20 کیلوولت

دو مشخصه (50 کیلووات و 80 کیلووات) به صورت پروتوتایپ ساخته شدند، هر دو با ساختار آهن خارجی. برای کاهش عایق اصلی، ساختار عایق سریعه اضافه شد. برای خروجی از یک بوشینگ استفاده شد. سریعه کویل فشار قوی زمین شده و به بدنه متصل است. کویل فشار کم ساختار تک کویلی است.

3.1 مقایسه عملکرد فنی بین ترانسفورماتورهای تک‌فاز پروتوتایپ 20 کیلوولت و 10 کیلوولت

• مقایسه زیان بین 20 کیلوولت و 10 کیلوولت (با مثال 50 کیلووات و 80 کیلووات) در جدول 1 نشان داده شده است.

• مقایسه وزن بین 20 کیلوولت و 10 کیلوولت (با مثال 50 کیلووات و 80 کیلووات) در جدول 2 نشان داده شده است.

4. ترانسفورماتور توزیع دوولتاژ 20 کیلوولت∥10 کیلوولت تک‌فاز

به‌روزرسانی یک سیستم توزیع 10 کیلوولت به 20 کیلوولت شامل تعویض تجهیزات کلیدی مانند ترانسفورماتورهای توزیع است. تعویض با هزینه بالا و قطع برق که تولید را مختل می‌کند، طراحی یک ترانسفورماتور تک‌فاز دوولتاژ (10 کیلوولت/20 کیلوولت) را به عنوان راه حلی برای تسهیل این مشکلات مطرح می‌کند.

4.1 طراحی

بر اساس ترانسفورماتور تک‌فاز لوله‌ای 10 کیلوولت، این نوع دوولتاژ از رابطه 20 کیلوولت = 2×10 کیلوولت استفاده می‌کند و از کویل‌های اصلی سری-موازی استفاده می‌کند. با دو کویل فشار قوی موازی، دو ستون هسته دارای کویل‌های فشار قوی/کم (کویل‌های فشار قوی موازی) هستند. دو کویل فشار کم در نقطه "وسط" با هم سری شده و ±220 V-زمین برای دو کاربر خروجی می‌دهند. فرض کنید W₁ (دورهای فشار قوی) و W₂ (دورهای فشار کم). در حالت موازی، U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V، و جریان کل فشار قوی دو برابر جریان یک کویل است. در حالت سری، جریان ورودی فشار قوی برابر با جریان کویل است.

4.2 کاربرد تغییر وضعیت

ظرفیت برای ورودی‌های فشار قوی 20 کیلوولت یا 10 کیلوولت ثابت می‌ماند. با ورودی 20 کیلوولت، دو کویل فشار قوی سری شده به طوری که هر کدام 10 کیلوولت تحمل می‌کنند. با جریان فشار قوی I₁، ظرفیت S₁ = I₁×20 = 20I₁(کیلووات). با تغییر به 10 کیلوولت، کویل‌های فشار قوی موازی 2I₁ جریان ورودی می‌دهند، بنابراین S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (کیلووات). بنابراین، S₁ = S₂).

4.3 ساختار

• ساختار با ترانسفورماتور تک‌فاز لوله‌ای (شماره ثبت اختراع 4612429) مطابقت دارد.

• تغییر ولتاژ 10 کیلوولت/20 کیلوولت با استفاده از یک سوئیچ تغییر ولتاژ با تماس قابل اعتماد انجام می‌شود.

• عایق‌بندی استانداردهای ترانسفورماتور 20 کیلوولت IEC (ولتاژ ضربه‌ای اسمی: 125 کیلوولت) را رعایت می‌کند.

• صدا با استانداردهای IEC و مشخصات فنی شرکت‌های برق مطابقت دارد.

4.4 مزایای ترانسفورماتور تک‌فاز دوولتاژ

• صرفه‌جویی در انرژی: زیان خطی سیستم توزیع 20 کیلوولت 25٪ زیان خطی سیستم توزیع 10 کیلوولت است، که 75٪ صرفه‌جویی در انرژی را به همراه دارد. با استفاده از فناوری لوله‌ای تک‌فاز در این طراحی، زیان بدون بار ترانسفورماتور 30٪ کمتر از ترانسفورماتور توزیع نوع S11 فعلی است.

• صرفه‌جویی در هزینه‌های ساخت: در زمان به‌روزرسانی از 10 کیلوولت به 20 کیلوولت، فقط نیاز به یک سوئیچ تغییر ولتاژ برای تغییر ولتاژ است. این کار زمان قطع برق را کاهش می‌دهد و کل فرآیند عملیاتی می‌تواند در چند دقیقه کامل شود.

5. نتیجه‌گیری

• بیشتر نقاط نوتروال سیستم 20 کیلوولت از طریق سیستم مقاومت کوچک زمین شده‌اند. بنابراین، مدیریت عایق اصلی ترانسفورماتورهای تک‌فاز در سطح 20 کیلوولت نسبت به 10 کیلوولت آسان‌تر است.

• زیان بار ترانسفورماتورهای تک‌فاز 20 کیلوولت در سطح مشابه با 10 کیلوولت است؛ وزن آنها نیز در سطح قابل مقایسه است. در زمینه زیان بدون بار، 20 کیلوولت کمتر از 10 کیلوولت است. در مورد امپدانس، ترانسفورماتور تک‌فاز 20 کیلوولت 20٪ بیشتر از 10 کیلوولت است.

• ترانسفورماتور تک‌فاز 20 کیلوولت نسبتاً اقتصادی است. قیمت آن به طور قابل توجهی با ترانسفورماتورهای تک‌فاز 10 کیلوولت تفاوت نخواهد داشت.

• ترانسفورماتور توزیع تک‌فاز دوولتاژ 20 کیلوولت∥10 کیلوولت می‌تواند در هر دو سیستم توزیع 10 کیلوولت و 20 کیلوولت استفاده شود. هنگام به‌روزرسانی یک سیستم 10 کیلوولت به 20 کیلوولت، نیازی به تعویض ترانسفورماتور نیست؛ فقط تغییر سوئیچ تغییر ولتاژ کافی است. این روش نسبتاً اقتصادی و راحت است.