Prototypering van een 20 kV Enfase Distributietransformator

1. Ontwerp van een 20 kV enkelefasen distributietransformator

20 kV distributiesystemen gebruiken meestal kabels of een mengeling van kabel- en bovengrondse lijnen, en het neutrale punt wordt meestal via een kleine weerstand aan de grond gelegd. Bij een enkelefasen aarding zal er geen probleem zijn dat de fasespanning meer dan √3 keer stijgt, zoals in het geval van een enkelefasen fout in een 10 kV systeem. Daarom kan de enkelefasen distributietransformator van het 20 kV systeem de gronding aan het einde van de spoel adopteren. Dit kan de hoofdisolatie van de enkelefasen distributietransformator verminderen, waardoor het volume en de kosten van de 20 kV enkelefasen distributietransformator niet veel verschillen van die van de 10 kV.

2. Selectie van Impulsvoltages en Testvoltages

Voor het basisimpulsniveau (BIL) en het isolatietestniveau van de 20 kV enkelefasen distributietransformator, gelden de volgende overwegingen:

De Amerikaanse nationale standaard ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) stelt dat het basisimpulsniveau (BIL) van de hoogspanningszijde (20 kV) 125 kV is; de nominale spanning van de hoogspanningscomponent is 15.2 kV, en de wisselspanning (60 Hz/min) is 40 kV.

Het isolatietestvoorschrift stelt dat een aangebracht spanningstest niet nodig is, maar dat een geïnduceerde spanningstest moet worden uitgevoerd. Tijdens de test, nadat een spanning op de uitgangsterminal van een winding is aangebracht, bereikt de spanning van elke hoogspanningsuitgangsterminal naar de grond 1 kV plus 3,46 keer de nominale spanning van de transformatorwinding. Dat wil zeggen, bij de inductietest (frequentie verdubbeld en spanning verdubbeld test) is de hoogspanning:

2.1 Laagspanningszijde (240/120 V)

• Basisimpulsniveau (BIL): 30 kV

• Wisselspanning (60 Hz/min): 10 kV

2.2 Volgens China's Nationale Transformatorkwaliteitstoetsreglementen

• Hoogspanningszijde:

• Basisimpulsniveau (BIL): 125 kV (volledige golf), 140 kV (afgekapt golf)

• Geïnduceerde wisselspanning (200 Hz/min): 40 kV

• Laagspanningszijde:

• Aangebrachte spanning (50 Hz/min): 4 kV

3. Structuur en kenmerken van 20 kV enkelefasen distributietransformatoren

Twee specificaties (50 kVA en 80 kVA) werden geprototyped, beide met een buiten-ijzerstructuur. Om de hoofdisolatie te verlagen, werd een eindisolatiestructuur toegevoegd. Er wordt een enkele bushing gebruikt voor de voeding. Het einde van de hoogspanningsspoel is aangesloten op de tank. De laagspanningswinding heeft een enkele-spoelstructuur.

3.1 Technische prestatievergelijking tussen geprototypeerde 20 kV en 10 kV enkelefasen distributietransformatoren

• Vergelijking van verliezen tussen 20 kV en 10 kV (met 50 kVA en 80 kVA als voorbeeld) is weergegeven in Tabel 1.

• Gewichtsvergelijking tussen 20 kV en 10 kV (met 50 kVA en 80 kVA als voorbeeld) is weergegeven in Tabel 2.

4. 20 kV∥10 kV Enkelefasen Dubbelvoltage Distributietransformator

Het upgraden van een 10 kV naar een 20 kV distributiesysteem betekent het vervangen van belangrijke apparatuur zoals distributietransformatoren. Hoogwaardige vervangingen en stroomonderbrekingen die de productie onderbreken, maken het ontwerpen van een dubbelevoltage (10 kV/20 kV) enkelefasen transformator tot een oplossing om deze problemen te verzachten.

4.1 Ontwerp

Op basis van de 10 kV gewikkelde kern enkelefasen distributietransformator, maakt dit dubbelevoltage variant gebruik van de relatie 20 kV = 2×10 kV, met serie-parallel primaire windingen. Met twee parallelle hoogspanningswindingen krijgen twee kernkolommen hoogspannings/laagspanningswindingen (hoogspanningswindingen parallel). Twee laagspanningswindingen in serie op de "middelpunt"-uitgang leveren ±220 V - grond voor twee gebruikers. Laat W₁ (hoogspanningsomwentelingen) en W₂ (laagspanningsomwentelingen). In parallel, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, en de totale hoogspanningsstroom is het dubbele van die van één spoel. In serie, de hoogspanningsinvoerstroom is gelijk aan de spoelstroom.

4.2 Schakeltoepassing

Capaciteit blijft consistent voor 20 kV of 10 kV hoogspanningsinvoer. Bij 20 kV invoer, betekent twee hoogspanningswindingen in serie dat elk 10 kV draagt. Met hoogspanningsstroom I₁, capaciteit S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Overschakeld naar 10 kV, parallelle hoogspanningswindingen geven 2I₁ invoerstroom, dus S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Dus, S₁ = S₂).

4.3 Structuur

• Structuur komt overeen met de enkelefasen gewikkelde kern transformator (octrooinummer 4612429).

• 10 kV/20 kV voltage-schakeling gebruikt een betrouwbare contactstrip schakelaar.

• Isolatie voldoet aan IEC 20 kV transformatornormen (gerateerde impulsspanning: 125 kV).

• Geluid voldoet aan IEC en relevante elektriciteitsmaatschappij technische specificaties.

4.4 Voordelen van de enkelefasen dubbelevoltage transformator

• Energiebesparing: Het lijnverlies van het 20 kV distributiesysteem is 25% van dat van het 10 kV distributiesysteem, wat een besparing van 75% energie oplevert. Door het gebruik van de enkelefasen gewikkelde kern technologie in dit ontwerp, is het lege verlies van de transformator 30% lager dan dat van de huidig gebruikte S11-type distributietransformator.

• Bouwkostenbesparing: Tijdens de upgrade van 10 kV naar 20 kV, is alleen een schakelaar nodig om de spanning te switchen. Dit vermindert de stroomonderbrekingstijd, en de hele operatie kan binnen enkele minuten worden voltooid.

5. Conclusie

• Meeste neutrale punten van het 20 kV systeem zijn aangesloten op de grond via een klein-weerstandsysteem. Daarom is het gemakkelijker om de hoofdisolatie van enkelefasen transformatoren op 20 kV-niveau te behandelen vergeleken met 10 kV-niveau.

• Het belastingsverlies van 20 kV-klasse enkelefasen transformatoren is op hetzelfde niveau als dat van 10 kV-klasse; hun gewicht is ook vergelijkbaar. In termen van lege verliezen, is 20 kV lager dan 10 kV. Wat betreft de impedantie, is de 20 kV enkelefasen transformator 20% hoger dan de 10 kV.

• De 20 kV enkelefasen transformator is relatief economisch. De prijs zal niet aanzienlijk verschillen van die van 10 kV-klasse enkelefasen transformatoren.

• De 20 kV∥10 kV enkelefasen dubbelevoltage distributietransformator kan zowel in 10 kV als 20 kV distributiesystemen worden gebruikt. Bij het upgraden van een 10 kV systeem naar een 20 kV systeem, hoeft de transformator niet te worden vervangen; het is voldoende om de schakelaar te switchen. Het is een relatief economische en gemakkelijke methode.