Développement de prototype d'un transformateur monophasé de distribution 20 kV

1. Conception d'un transformateur monophasé de distribution à 20 kV

Les systèmes de distribution à 20 kV adoptent généralement des lignes de câbles ou des réseaux mixtes de câbles et de lignes aériennes, et le point neutre est souvent mis à la terre par une petite résistance. Lorsqu'une mise à la terre monophasée se produit, il n'y a pas de problème que la tension de phase augmente de plus de √3 fois comme c'est le cas pour une panne monophasée dans un système de 10 kV. Par conséquent, le transformateur monophasé de distribution du système à 20 kV peut adopter le type de mise à la terre de l'extrémité de la bobine. Cela peut réduire l'isolation principale du transformateur monophasé de distribution, rendant le volume et le coût du transformateur monophasé de distribution à 20 kV similaires à ceux d'un transformateur de 10 kV.

2. Choix des tensions d'impulsion et d'essai

Pour le niveau d'impulsion de base (BIL) et le niveau d'essai d'isolation du transformateur monophasé de distribution à 20 kV, les considérations sont les suivantes :

La norme américaine ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) stipule que le niveau d'impulsion de base (BIL) du côté haute tension (20 kV) est de 125 kV ; la tension nominale du composant haute tension est de 15,2 kV, et la tension d'essai en courant alternatif (60 Hz/min) est de 40 kV.

L'essai d'isolation stipule qu'un essai de tension appliquée n'est pas nécessaire, mais un essai de tension induite doit être effectué. Pendant l'essai, après avoir appliqué une tension au terminal de sortie d'une bobine, la tension de chaque terminal de sortie haute tension à la terre atteint 1 kV plus 3,46 fois la tension nominale de la bobine du transformateur. C'est-à-dire, lors de l'essai d'induction (essai de doublement de fréquence et de tension), la haute tension est :

2.1 Côté basse tension (240/120 V)

• Niveau d'impulsion de base (BIL) : 30 kV

• Tension d'essai en courant alternatif (60 Hz/min) : 10 kV

2.2 Selon les Règlements Chinois de Supervision et d'Essai de Qualité des Transformateurs

• Côté haute tension :

• Niveau d'impulsion de base (BIL) : 125 kV (onde complète), 140 kV (onde tronquée)

• Tension d'essai induite en courant alternatif (200 Hz/min) : 40 kV

• Côté basse tension :

• Tension appliquée (50 Hz/min) : 4 kV

3. Structure et caractéristiques des transformateurs monophasés de distribution à 20 kV

Deux spécifications (50 kVA et 80 kVA) ont été prototypées, toutes deux adoptant une structure à fer externe. Pour réduire l'isolation principale, une structure d'isolation d'extrémité a été ajoutée. Un seul boîtier est utilisé pour le raccordement. L'extrémité de la bobine haute tension est mise à la terre et connectée au bac. Le bobinage basse tension est une structure à une seule bobine.

3.1 Comparaison des performances techniques entre les transformateurs monophasés de distribution prototypés à 20 kV et 10 kV

• La comparaison des pertes entre 20 kV et 10 kV (en prenant 50 kVA et 80 kVA comme exemples) est présentée dans le tableau 1.

• La comparaison du poids entre 20 kV et 10 kV (en prenant 50 kVA et 80 kVA comme exemples) est présentée dans le tableau 2.

4. Transformateur monophasé de distribution à double tension 20 kV∥10 kV

La mise à niveau d'un système de distribution de 10 kV à un système de 20 kV implique le remplacement d'équipements clés tels que les transformateurs de distribution. Les coûts élevés de remplacement et les interruptions de courant perturbant la production font de la conception d'un transformateur monophasé de double tension (10 kV/20 kV) une solution pour atténuer ces problèmes.

4.1 Conception

Basé sur le transformateur monophasé de distribution à noyau bobiné de 10 kV, cette variante à double tension utilise la relation 20 kV = 2×10 kV, avec des bobines primaires en série et en parallèle. Avec deux bobines haute tension en parallèle, deux colonnes de noyau reçoivent des bobinages haute tension/basse tension (bobines haute tension en parallèle). Deux bobines basse tension en série au "point médian" fournissent ±220 V - terre pour deux utilisateurs. Soit W₁ (nombre de spires haute tension) et W₂ (nombre de spires basse tension). En parallèle, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, et le courant total haute tension double celui d'une seule bobine. En série, le courant d'entrée haute tension est égal au courant de la bobine.

4.2 Application de commutation

La capacité reste constante pour les entrées haute tension de 20 kV ou 10 kV. À une entrée de 20 kV, les deux bobines haute tension en série signifient que chacune supporte 10 kV. Avec un courant haute tension I₁, la capacité S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Passé à 10 kV, les bobines haute tension en parallèle donnent un courant d'entrée de 2I₁, donc S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Ainsi, S₁ = S₂).

4.3 Structure

• La structure correspond au transformateur monophasé à noyau bobiné (brevet n° 4612429).

• Le changement de tension 10 kV/20 kV utilise un changeur de prises fiable à bande de contact.

• L'isolation répond aux normes IEC pour les transformateurs à 20 kV (tension d'impulsion nominale : 125 kV).

• Le bruit est conforme aux spécifications techniques de l'IEC et des compagnies d'électricité concernées.

4.4 Avantages du transformateur monophasé à double tension

• Économie d'énergie : La perte de ligne du système de distribution à 20 kV est de 25 % de celle du système de distribution à 10 kV, réalisant une économie d'énergie de 75 %. En adoptant la technologie à noyau bobiné monophasé dans cette conception, la perte à vide du transformateur est 30 % inférieure à celle du transformateur de distribution S11 actuellement utilisé.

• Économie sur les coûts de construction : Lors de la mise à niveau de 10 kV à 20 kV, seul un interrupteur de changement de tension est nécessaire pour changer la tension. Cela réduit le temps d'interruption de courant, et l'ensemble du processus opérationnel peut être achevé en quelques minutes seulement.

5. Conclusion

• La plupart des points neutres du système à 20 kV sont mis à la terre par un système de petite résistance. Par conséquent, il est plus facile de gérer l'isolation principale des transformateurs monophasés au niveau de 20 kV par rapport au niveau de 10 kV.

• La perte de charge des transformateurs monophasés de classe 20 kV est au même niveau que celle des transformateurs de classe 10 kV ; leur poids est également comparable. En termes de perte à vide, 20 kV est inférieur à 10 kV. En ce qui concerne l'impédance, le transformateur monophasé à 20 kV est 20 % plus élevé que celui à 10 kV.

• Le transformateur monophasé à 20 kV est relativement économique. Son prix ne différera pas significativement de celui des transformateurs monophasés de classe 10 kV.

• Le transformateur monophasé de distribution à double tension 20 kV∥10 kV peut être utilisé dans les systèmes de distribution à 10 kV et 20 kV. Lors de la mise à niveau d'un système de 10 kV à un système de 20 kV, il n'est pas nécessaire de remplacer le transformateur ; il suffit de basculer l'interrupteur de changement de tension. C'est une méthode relativement économique et pratique.