توسعه پروتاتیپ ترانسفورماتور توزیع یک فاز ۲۰ کیلوولت

1. طراحی ترانسفورماتور توزیع یک‌فازه 20 کیلوولت

سیستم‌های توزیع 20 کیلوولت معمولاً از خطوط کابلی یا شبکه‌های ترکیبی کابل-خط هوایی استفاده می‌کنند و نقطه خنثی آن‌ها بیشتر از طریق مقاومت کوچکی به زمین متصل می‌شود. هنگامی که یک‌فاز به زمین می‌رسد، مشکلی وجود ندارد که ولتاژ فاز بیش از √3 برابر شود، مانند حالتی که در سیستم 10 کیلوولت رخ می‌دهد. بنابراین، ترانسفورماتور توزیع یک‌فازه سیستم 20 کیلوولت می‌تواند نوعی از زمین‌کردن انتهای سیم‌پیچ را به کار بگیرد. این می‌تواند عایق اصلی ترانسفورماتور یک‌فازه توزیع را کاهش دهد و حجم و هزینه ترانسفورماتور یک‌فازه 20 کیلوولت را به حدی که با 10 کیلوولت تفاوت قابل توجهی نداشته باشد.

2. انتخاب ولتاژ ضربه‌ای و آزمونی

برای سطح ضربه‌ای پایه (BIL) و سطح آزمون عایق ترانسفورماتور یک‌فازه 20 کیلوولت، ملاحظات زیر مطرح می‌شود:

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

آزمون عایق مقرر می‌کند که آزمون ولتاژ اعمالی لازم نیست، اما آزمون ولتاژ القایی باید انجام شود. در طول آزمون، پس از اعمال ولتاژ به انتهای خروجی یک سیم‌پیچ، ولتاژ هر انتهای خروجی بالا به زمین به 1 کیلوولت به علاوه 3.46 برابر ولتاژ اسمی سیم‌پیچ ترانسفورماتور می‌رسد. یعنی در آزمون القایی (آزمون دوبرابر شدن فرکانس و ولتاژ)، ولتاژ بالا است:

2.1 سمت پایین (240/120 V)

• سطح ضربه‌ای پایه (BIL): 30 کیلوولت

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

2.2 بر اساس مقررات آزمون کیفیت ترانسفورماتور ملی چین

• سمت بالا:

• سطح ضربه‌ای پایه (BIL): 125 کیلوولت (موج کامل)، 140 کیلوولت (موج برشی)

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

• سمت پایین:

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

3. ساختار و ویژگی‌های ترانسفورماتورهای توزیع یک‌فازه 20 کیلوولت

دو مشخصه (50 کیلووا و 80 کیلووا) پروتوتیپ شدند، هر دو با ساختار آهن خارجی. برای کاهش عایق اصلی، ساختار عایق انتهایی اضافه شد. از یک بوشینگ برای خروجی استفاده شد. انتهای سیم‌پیچ بالا به زمین متصل شده و به ظرف متصل است. سیم‌پیچ پایین ساختار یک‌سیم‌پیچی دارد.

3.1 مقایسه عملکرد فنی بین ترانسفورماتورهای توزیع یک‌فازه 20 کیلوولت و 10 کیلوولت پروتوتیپ شده

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

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

4. ترانسفورماتور توزیع یک‌فازه دو‌ولتاژ 20 کیلوولت∥10 کیلوولت

به‌روزرسانی سیستم توزیع 10 کیلوولت به 20 کیلوولت شامل جایگزینی تجهیزات کلیدی مانند ترانسفورماتورهای توزیع است. جایگزینی‌های پرهزینه و قطع برق که تولید را مختل می‌کند، طراحی یک ترانسفورماتور یک‌فازه دو‌ولتاژ (10 کیلوولت/20 کیلوولت) را به عنوان راه‌حلی برای تسهیل این مشکلات ارائه می‌دهد.

4.1 طراحی

بر اساس ترانسفورماتور یک‌فازه 10 کیلوولت با هسته پیچیده، این نوع دو‌ولتاژ از رابطه 20 کیلوولت = 2×10 کیلوولت استفاده می‌کند و از سیم‌پیچ‌های اولیه سری-موازی استفاده می‌کند. با دو سیم‌پیچ بالا موازی، دو ستون هسته سیم‌پیچ‌های بالا/پایین (سیم‌پیچ‌های بالا موازی) را دریافت می‌کنند. دو سیم‌پیچ پایین در نقطه "میانی" به ±220 V-زمین برای دو کاربر خروجی می‌دهند. فرض کنید W₁ (دورهای بالا) و W₂ (دورهای پایین). در موازی، U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V و جریان کل بالا دوبرابر جریان یک سیم‌پیچ است. در سری، جریان ورودی بالا برابر با جریان سیم‌پیچ است.

4.2 کاربرد تغییر ولتاژ

ظرفیت برای ورودی‌های بالا 20 کیلوولت یا 10 کیلوولت ثابت می‌ماند. در ورودی 20 کیلوولت، دو سیم‌پیچ بالا در سری هر کدام 10 کیلوولت می‌بینند. با جریان بالا I₁، ظرفیت S₁ = I₁×20 = 20I₁(کیلووا). در تغییر به 10 کیلوولت، سیم‌پیچ‌های بالا موازی 2I₁ جریان ورودی می‌دهند، بنابراین S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (کیلووا). بنابراین، S₁ = S₂).

4.3 ساختار

• ساختار با ترانسفورماتور یک‌فازه با هسته پیچیده (شماره اختراع 4612429) همخوانی دارد.

• تغییر ولتاژ 10 کیلوولت/20 کیلوولت از یک مبدل تپ تغییر ولتاژ مطمئن با لایه تماس استفاده می‌کند.

• عایق به استاندارد ترانسفورماتور 20 کیلوولت IEC (ولتاژ ضربه‌ای اسمی: 125 کیلوولت) مطابقت دارد.

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

4.4 مزایای ترانسفورماتور یک‌فازه دو‌ولتاژ

• صرفه‌جویی در انرژی：تلفات خط سیستم توزیع 20 کیلوولت 25٪ تلفات خط سیستم توزیع 10 کیلوولت است، که 75٪ صرفه‌جویی در انرژی را ایجاد می‌کند. با استفاده از فناوری هسته پیچیده یک‌فازه در این طراحی، تلفات بدون بار ترانسفورماتور 30٪ کمتر از ترانسفورماتور توزیع نوع S11 کنونی است.

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

5. نتیجه‌گیری

• اغلب نقاط خنثی سیستم 20 کیلوولت از طریق یک سیستم مقاومت کوچک به زمین متصل می‌شوند. بنابراین، مدیریت عایق اصلی ترانسفورماتورهای یک‌فازه در سطح 20 کیلوولت نسبت به 10 کیلوولت آسان‌تر است.

• تلفات بار ترانسفورماتورهای یک‌فازه کلاس 20 کیلوولت در سطح مشابهی با کلاس 10 کیلوولت هستند؛ وزن آن‌ها نیز در سطح قابل مقایسه است. از نظر تلفات بدون بار، 20 کیلوولت کمتر از 10 کیلوولت است. در مورد امپدانس، ترانسفورماتور یک‌فازه 20 کیلوولت 20٪ بیشتر از 10 کیلوولت است.

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

• ترانسفورماتور توزیع یک‌فازه 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 مبدل ولتاژ کافی است. این یک روش نسبتاً اقتصادی و راحت است.