20kV単相配電変圧器のプロトタイプ開発

1. 20 kV単相配電変圧器の設計

20 kV配電システムは通常、ケーブル線路またはケーブルと空中線路を組み合わせたネットワークを採用し、中性点は主に小さな抵抗を通じて接地されます。単相接地が発生しても、10 kVシステムでの単相障害の場合のように、相電圧が√3倍以上上昇する問題はありません。したがって、20 kVシステムの単相配電変圧器はコイルの端を接地する方式を採用することができます。これにより、単相配電変圧器の主絶縁を減らすことができ、20 kV単相配電変圧器の体積とコストが10 kVのものとほとんど変わらなくなります。

2. 雷電圧と試験電圧の選択

20 kV単相配電変圧器の基本雷電圧レベル（BIL）および絶縁試験レベルについての考慮事項は以下の通りです：

米国標準ANSI C57.12.00—1973（IEEE Std 462—1972）では、高圧側（20 kV）の基本雷電圧レベル（BIL）が125 kVであることが規定されています。高圧部品の定格電圧は15.2 kVで、交流耐電圧（60 Hz/min）は40 kVです。

絶縁試験では、適用電圧試験は必要ありませんが、誘導電圧試験は実施しなければなりません。試験中に一巻線の出力端子に電圧を印加すると、各高圧出力端子から地への電圧が1 kVプラス変圧器巻線の定格電圧の3.46倍に達します。つまり、誘導試験（周波数2倍・電圧2倍試験）では、高圧は次のようになります：

2.1 低圧側（240/120 V）

• 基本雷電圧レベル（BIL）：30 kV

• 交流耐電圧（60 Hz/min）：10 kV

2.2 中国の国家変圧器品質監督試験規程に基づく

• 高圧側：

• 基本雷電圧レベル（BIL）：125 kV（全波）、140 kV（切断波）

• 交流誘導耐電圧（200 Hz/min）：40 kV

• 低圧側：

• 適用電圧（50 Hz/min）：4 kV

3. 20 kV単相配電変圧器の構造と特徴

2つの仕様（50 kVAと80 kVA）が試作され、どちらも外鉄構造を採用しています。主絶縁を減らすために、端絶縁構造が追加されました。リードアウトには単一のブッシングを使用します。高圧コイルの端は接地されタンクに接続され、低圧巻線は単一コイル構造です。

3.1 試作された20 kVと10 kV単相配電変圧器の技術的性能比較

• 20 kVと10 kV（50 kVAと80 kVAを例に）の損失比較は表1に示されています。

• 20 kVと10 kV（50 kVAと80 kVAを例に）の重量比較は表2に示されています。

4. 20 kV∥10 kV単相二重電圧配電変圧器

10 kV配電システムを20 kVにアップグレードする際には、配電変圧器などの主要な設備を交換する必要があります。高価な交換と停電による生産中断を避けるため、二重電圧（10 kV/20 kV）単相変圧器の設計が解決策となります。

4.1 設計

この二重電圧バリアントは、10 kV巻線コア単相配電変圧器に基づいており、20 kV = 2×10 kVの関係を利用して一次コイルを直列並列に使用します。2つの並列高圧コイルを使用することで、2つのコア柱に高圧/低圧巻線（高圧コイル並列）が得られます。2つの低圧コイルが「中点」で直列になり、±220 V - 地面に対して2ユーザーに出力します。W₁（高圧ターン数）とW₂（低圧ターン数）とする。並列時、U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220 Vであり、総高圧電流は単一コイルの2倍になります。直列時には、高圧入力電流はコイル電流と等しくなります。

4.2 切替アプリケーション

20 kVまたは10 kVの高圧入力でも容量は一定です。20 kV入力では、2つの高圧コイルが直列に接続され、それぞれ10 kVを負担します。高圧電流I₁の場合、容量S₁ = I₁×20 = 20I₁ (kVA)です。10 kVに切り替えると、並列高圧コイルにより入力電流が2I₁になるため、S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA)となります。したがって、S₁ = S₂です。

4.3 構造

• 構造は単相巻線コア変圧器（特許番号4612429）と一致します。

• 10 kV/20 kV電圧切替は信頼性の高い接触ストリップタップチェンジャーを使用します。

• 絶縁はIEC 20 kV変圧器基準（定格雷電圧：125 kV）を満たしています。

• ノイズはIECおよび関連電力会社の技術仕様に準拠しています。

4.4 単相二重電圧変圧器の利点

• エネルギー節約：20 kV配電システムの線路損失は10 kV配電システムの25%であり、75%のエネルギー節約を達成します。この設計では単相巻線コア技術を採用しており、変圧器の空載損失は現在使用されているS11型配電変圧器よりも30%低くなります。

• 建設コスト削減：10 kVから20 kVへのアップグレードでは、電圧を切り替えるために変換スイッチのみが必要です。これにより停電時間が短縮され、全体の操作プロセスは数分以内に完了できます。

5. 結論

• 20 kVシステムの大部分の中性点は小さな抵抗システムを通じて接地されています。したがって、20 kVレベルでの単相変圧器の主絶縁は10 kVレベルよりも容易に処理できます。

• 20 kVクラスの単相変圧器の負荷損失は10 kVクラスと同じレベルであり、重量も同程度です。無負荷損失については20 kVの方が10 kVよりも低いです。インピーダンスについては、20 kV単相変圧器は10 kVよりも20%高くなります。

• 20 kV単相変圧器は比較的経済的であり、その価格は10 kVクラスの単相変圧器とは大きく異なりません。

• 20 kV∥10 kV単相二重電圧配電変圧器は、10 kVと20 kVの両方の配電システムで使用できます。10 kVシステムを20 kVシステムにアップグレードする際には、変圧器を交換する必要はなく、変換スイッチを切り替えるだけで十分です。これは比較的経済的で便利な方法です。