Desenvolvemento do prototipo dun transformador de distribución monofásico de 20 kV

1. Diseño do transformador de distribución monofásico de 20 kV

Os sistemas de distribución de 20 kV adoitan empregar liñas de cable ou redes mixtas de cable-aéreo, e o punto neutro está xeralmente aterrado a través dunha pequena resistencia. Cando ocorre unha aterramento monofásico, non se presenta o problema de que a tensión de fase aumente máis de √3 veces como no caso dun fallo monofásico nun sistema de 10 kV. Polo tanto, o transformador de distribución monofásico do sistema de 20 kV pode adoptar o tipo de aterramento no final da bobina. Isto pode reducir o aislamento principal do transformador de distribución monofásico, facendo que o volume e o custo do transformador de distribución monofásico de 20 kV non sexan moi diferentes dos do de 10 kV.

2. Selección de tensións de impulso e proba

Para o nivel básico de impulso (BIL) e o nivel de proba de aislamento do transformador de distribución monofásico de 20 kV, as consideracións son as seguintes:

O estándar nacional americano ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) estipula que o nivel básico de impulso (BIL) do lado de alta tensión (20 kV) é de 125 kV; a tensión nominal do compoñente de alta tensión é de 15,2 kV, e a tensión de resistencia alterna (60 Hz/min) é de 40 kV.

A proba de aislamento estipula que non se require a proba de aplicación de tensión, pero debe realizarse a proba de tensión inducida. Durante a proba, despois de aplicar unha tensión ao terminal de saída dunha bobina, a tensión de cada terminal de saída de alta tensión ao chao alcanza 1 kV máis 3,46 veces a tensión nominal da bobina do transformador. É dicir, na proba de indución (prueba de frecuencia dobre e tensión dobre), a alta tensión é:

2.1 Lado de baixa tensión (240/120 V)

• Nivel básico de impulso (BIL): 30 kV

• Tensión de resistencia alterna (60 Hz/min): 10 kV

2.2 Segundo as regulacións de supervisión e proba de calidade de transformadores nacionais de China

• Lado de alta tensión:

• Nivel básico de impulso (BIL): 125 kV (onda completa), 140 kV (onda cortada)

• Tensión de resistencia inducida alterna (200 Hz/min): 40 kV

• Lado de baixa tensión:

• Tensión aplicada (50 Hz/min): 4 kV

3. Estructura e características dos transformadores de distribución monofásicos de 20 kV

Prototipáronse dúas especificacións (50 kVA e 80 kVA), ambas adoptando unha estrutura externa de ferro. Para reducir o aislamento principal, engadiuse unha estrutura de aislamento final. Utilízase un único embellecedor para a saída. O final da bobina de alta tensión está aterrado e conectado ao tanque. A bobina de baixa tensión é unha estrutura de única bobina.

3.1 Comparación de rendemento técnico entre os transformadores de distribución monofásicos prototipados de 20 kV e 10 kV

• A comparación de perdas entre 20 kV e 10 kV (tomando 50 kVA e 80 kVA como exemplos) amóstrase na Táboa 1.

• A comparación de peso entre 20 kV e 10 kV (tomando 50 kVA e 80 kVA como exemplos) amóstrase na Táboa 2.

4. Transformador de distribución monofásico de dobre tensión 20 kV∥10 kV

A actualización dun sistema de distribución de 10 kV a 20 kV implica a substitución de equipos clave como os transformadores de distribución. As substitucións de alto custo e as interrupcións de enerxía que interrompen a produción fan que o deseño dun transformador monofásico de dobre tensión (10 kV/20 kV) sexa unha solución para aliviar estes problemas.

4.1 Deseño

Baseándose no transformador de distribución monofásico de núcleo arrollado de 10 kV, esta variante de dobre tensión aproveita a relación 20 kV = 2×10 kV, utilizando bobinas primarias en serie-paralelo. Con dúas bobinas de alta tensión en paralelo, dúas columnas de núcleo obténse bobinas de alta tensión/baixa tensión (bobinas de alta tensión en paralelo). Dúas bobinas de baixa tensión en serie no "punto medio" dan unha saída de ±220 V - terra para dous usuarios. Sexa W₁ (voltas de alta tensión) e W₂ (voltas de baixa tensión). En paralelo, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, e a corrente total de alta tensión duplica a dunha única bobina. En serie, a corrente de entrada de alta tensión é igual á corrente da bobina.

4.2 Aplicación de conmutación

A capacidade permanece constante para entradas de alta tensión de 20 kV ou 10 kV. Con entrada de 20 kV, dúas bobinas de alta tensión en serie significan que cada unha soporta 10 kV. Con corrente de alta tensión I₁, a capacidade S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Cambiando a 10 kV, as bobinas de alta tensión en paralelo dan unha corrente de entrada de 2I₁, polo que S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Así, S₁ = S₂).

4.3 Estructura

• A estrutura coincide co transformador monofásico de núcleo arrollado (número de patente 4612429).

• A conmutación de tensión 10 kV/20 kV utiliza un cambiador de tomas de contacto fiable.

• O aislamento cumple coas normas IEC para transformadores de 20 kV (tensión de impulso nominal: 125 kV).

• O ruido cumple coas especificacións técnicas IEC e das compañías eléctricas pertinentes.

4.4 Ventajas do transformador monofásico de dobre tensión

• Ahorro de enerxía：A perda de liña do sistema de distribución de 20 kV é o 25% da do sistema de distribución de 10 kV, logrando un aforro de enerxía do 75%. Ao adoptar a tecnoloxía de núcleo arrollado monofásico neste deseño, a perda en vacío do transformador é un 30% menor que a do transformador de distribución do tipo S11 actualmente en uso.

• Aforro de custos de construción：Durante a actualización de 10 kV a 20 kV, só se necesita un interruptor de conmutación para cambiar a tensión. Isto reduce o tempo de corte de enerxía, e todo o proceso operativo pode completarse en só uns minutos.

5. Conclusión

• A maioría dos puntos neutros do sistema de 20 kV están aterrados a través dun sistema de pequena resistencia. Polo tanto, é máis fácil manexar o aislamento principal dos transformadores monofásicos ao nivel de 20 kV en comparación co de 10 kV.

• A perda de carga dos transformadores monofásicos de clase 20 kV está ao mesmo nivel que a dos de clase 10 kV; o seu peso tamén está nun nivel comparable. En termos de perda en vacío, 20 kV é menor que 10 kV. En canto á impedancia, o transformador monofásico de 20 kV é un 20% superior ao de 10 kV.

• O transformador monofásico de 20 kV é relativamente económico. O seu prezo non será significativamente diferente do dos transformadores monofásicos de clase 10 kV.

• O transformador de distribución monofásico de dobre tensión 20 kV∥10 kV pode utilizarse tanto en sistemas de distribución de 10 kV como de 20 kV. Ao actualizar un sistema de 10 kV a un sistema de 20 kV, non é necesario substituír o transformador; basta con cambiar o interruptor de conmutación. É un método relativamente económico e conveniente.