Sviluppo del Prototipo di Trasformatore Monofase da 20 kV per Distribuzione

1. Progettazione del trasformatore monofase di distribuzione a 20 kV

I sistemi di distribuzione a 20 kV adottano solitamente linee in cavo o reti miste cavo-linea aerea, e il punto neutro è per lo più collegato a terra attraverso una piccola resistenza. In caso di cortocircuito monofase, non si verifica il problema dell'aumento della tensione di fase superiore a √3 volte come nel caso di un guasto monofase in un sistema a 10 kV. Pertanto, il trasformatore monofase di distribuzione del sistema a 20 kV può adottare il tipo di raccordo a massa alla fine della bobina. Ciò può ridurre l'isolamento principale del trasformatore monofase di distribuzione, rendendo il volume e il costo del trasformatore monofase di distribuzione a 20 kV non molto diversi da quelli del trasformatore a 10 kV.

2. Selezione delle tensioni d'impulso e di prova

Per il livello di impulso base (BIL) e il livello di prova d'isolamento del trasformatore monofase di distribuzione a 20 kV, le considerazioni sono le seguenti:

Lo standard americano ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) stabilisce che il livello di impulso base (BIL) del lato ad alta tensione (20 kV) è di 125 kV; la tensione nominale del componente ad alta tensione è di 15.2 kV, e la tensione di prova a corrente alternata (60 Hz/min) è di 40 kV.

La prova d'isolamento prevede che non sia necessaria la prova di tensione applicata, ma deve essere eseguita la prova di tensione indotta. Durante la prova, dopo aver applicato una tensione al terminale di uscita di una bobina, la tensione di ciascun terminale di uscita ad alta tensione rispetto a terra raggiunge 1 kV più 3.46 volte la tensione nominale della bobina del trasformatore. Quindi, nella prova di induzione (prova a frequenza e tensione raddoppiate), l'alta tensione è:

2.1 Lato a bassa tensione (240/120 V)

• Livello di impulso base (BIL): 30 kV

• Tensione di prova a corrente alternata (60 Hz/min): 10 kV

2.2 Secondo i Regolamenti di Prova di Qualità dei Trasformatori Nazionali Cinesi

• Lato ad alta tensione:

• Livello di impulso base (BIL): 125 kV (onda completa), 140 kV (onda troncata)

• Tensione di prova indotta a corrente alternata (200 Hz/min): 40 kV

• Lato a bassa tensione:

• Tensione applicata (50 Hz/min): 4 kV

3. Struttura e caratteristiche dei trasformatori monofase di distribuzione a 20 kV

Sono stati prototipati due modelli (50 kVA e 80 kVA), entrambi con struttura esterna in ferro. Per ridurre l'isolamento principale, è stata aggiunta una struttura di isolamento finale. È utilizzato un singolo bushing per l'uscita. La fine della bobina ad alta tensione è collegata a massa e al serbatoio. L'avvolgimento a bassa tensione ha una struttura a singola bobina.

3.1 Confronto delle prestazioni tecniche tra i trasformatori monofase di distribuzione a 20 kV e 10 kV prototipati

• Il confronto delle perdite tra 20 kV e 10 kV (prendendo come esempio 50 kVA e 80 kVA) è riportato nella Tabella 1.

• Il confronto del peso tra 20 kV e 10 kV (prendendo come esempio 50 kVA e 80 kVA) è riportato nella Tabella 2.

4. Trasformatore monofase a doppia tensione 20 kV∥10 kV

L'aggiornamento di un sistema di distribuzione a 10 kV a un sistema a 20 kV comporta la sostituzione di equipaggiamenti chiave come i trasformatori di distribuzione. Le sostituzioni ad alto costo e le interruzioni di energia che interrompono la produzione rendono la progettazione di un trasformatore monofase a doppia tensione (10 kV/20 kV) una soluzione per attenuare questi problemi.

4.1 Progettazione

Basandosi sul trasformatore monofase di distribuzione a nucleo avvolto a 10 kV, questa variante a doppia tensione sfrutta la relazione 20 kV = 2×10 kV, utilizzando bobine primarie in serie e parallelo. Con due bobine ad alta tensione in parallelo, due colonne del nucleo ricevono avvolgimenti ad alta e bassa tensione (bobine ad alta tensione in parallelo). Due bobine a bassa tensione in serie all'“intermedio” forniscono ±220 V - terra per due utenti. Siano W₁ (spire ad alta tensione) e W₂ (spire a bassa tensione). In parallelo, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, e la corrente totale ad alta tensione raddoppia quella di una singola bobina. In serie, la corrente di ingresso ad alta tensione è uguale alla corrente della bobina.

4.2 Applicazione dello switch

La capacità rimane costante per ingressi ad alta tensione a 20 kV o 10 kV. Con ingresso a 20 kV, due bobine ad alta tensione in serie significano che ciascuna sopporta 10 kV. Con corrente ad alta tensione I₁, la capacità S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Commutato a 10 kV, le bobine ad alta tensione in parallelo danno 2I₁ di corrente di ingresso, quindi S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Pertanto, S₁ = S₂).

4.3 Struttura

• La struttura corrisponde a quella del trasformatore monofase a nucleo avvolto (brevetto n. 4612429).

• Il cambio di tensione 10 kV/20 kV utilizza un commutatore a lamelle di contatto affidabile.

• L'isolamento soddisfa gli standard IEC per i trasformatori a 20 kV (tensione d'impulso nominale: 125 kV).

• Il rumore è conforme agli standard IEC e alle specifiche tecniche delle società elettriche pertinenti.

4.4 Vantaggi del trasformatore monofase a doppia tensione

• Risparmio energetico: La perdita di linea del sistema di distribuzione a 20 kV è del 25% rispetto a quello a 10 kV, realizzando un risparmio energetico del 75%. Utilizzando la tecnologia a nucleo avvolto monofase in questo design, la perdita a vuoto del trasformatore è del 30% inferiore rispetto al trasformatore di distribuzione S11 attualmente in uso.

• Risparmio sui costi di costruzione: Durante l'aggiornamento da 10 kV a 20 kV, è necessario solo un interruttore di commutazione per cambiare la tensione. Ciò riduce il tempo di interruzione dell'energia, e l'intero processo operativo può essere completato in pochi minuti.

5. Conclusione

• La maggior parte dei punti neutrali del sistema a 20 kV è collegata a terra attraverso un sistema a piccola resistenza. Pertanto, è più facile gestire l'isolamento principale dei trasformatori monofase a 20 kV rispetto a quelli a 10 kV.

• Le perdite a carico dei trasformatori monofase a 20 kV sono allo stesso livello di quelle a 10 kV; il loro peso è anche comparabile. In termini di perdite a vuoto, 20 kV è inferiore a 10 kV. Riguardo all'impedenza, il trasformatore monofase a 20 kV è del 20% superiore a quello a 10 kV.

• Il trasformatore monofase a 20 kV è relativamente economico. Il suo prezzo non differirà significativamente da quello dei trasformatori monofase a 10 kV.

• Il trasformatore monofase a doppia tensione 20 kV∥10 kV può essere utilizzato in entrambi i sistemi di distribuzione a 10 kV e 20 kV. Quando si aggiorna un sistema a 10 kV a uno a 20 kV, non è necessario sostituire il trasformatore; basta commutare l'interruttore di selezione. È un metodo relativamente economico e conveniente.