Prototypowe opracowanie jednofazowego transformatora dystrybucyjnego 20 kV

1. Projektowanie jednofazowego transformatora rozdzielczego 20 kV

Systemy rozdzielcze 20 kV zazwyczaj wykorzystują linie kablowe lub mieszane sieci kablowo-naziemne, a punkt neutralny jest najczęściej uziemiony przez mały opór. W przypadku jednofazowego uziemienia nie wystąpi problem, że napięcie fazowe wzrośnie ponad √3 razy, jak w przypadku awarii jednej fazy w systemie 10 kV. Dlatego jednofazowy transformator rozdzielczy systemu 20 kV może przyjąć typ uziemienia końca cewki. To może zmniejszyć główne izolacje jednofazowego transformatora rozdzielczego, sprawiając, że objętość i koszt jednofazowego transformatora rozdzielczego 20 kV nie będą znacząco różnić się od tych dla 10 kV.

2. Wybór napięć impulsowych i próbnych

Dla podstawowego poziomu impulsu (BIL) i poziomu próby izolacji jednofazowego transformatora rozdzielczego 20 kV, rozważania są następujące:

Amerykański Standard Narodowy ANSI C57.12.00–1973 (IEEE Std 462–1972) przewiduje, że podstawowy poziom impulsu (BIL) strony wysokiego napięcia (20 kV) wynosi 125 kV; nominalne napięcie komponentu wysokiego napięcia wynosi 15.2 kV, a napięcie wytrzymałościowe przemiennoprądowe (60 Hz/min) wynosi 40 kV.

Próba izolacji przewiduje, że nie jest wymagana próba napięcia zastosowanego, ale musi być wykonana próba napięcia indukowanego. Podczas próby, po zastosowaniu napięcia do wylotu jednej cewki, napięcie każdego wylotu wysokiego napięcia do ziemi osiąga 1 kV plus 3.46 razy nominalne napięcie cewki transformatora. Innymi słowy, w teście indukcji (próbę częstotliwościową i napięciową podwójną), wysokie napięcie wynosi:

2.1 Strona niskiego napięcia (240/120 V)

• Podstawowy poziom impulsu (BIL): 30 kV

• Napięcie wytrzymałościowe przemiennoprądowe (60 Hz/min): 10 kV

2.2 Zgodnie z Chińskimi Krajowymi Przepisami Nadzoru Jakości Transformatorów

• Strona wysokiego napięcia:

• Podstawowy poziom impulsu (BIL): 125 kV (pełna fala), 140 kV (obcięta fala)

• Indukowane napięcie wytrzymałościowe przemiennoprądowe (200 Hz/min): 40 kV

• Strona niskiego napięcia:

• Zastosowane napięcie (50 Hz/min): 4 kV

3. Konstrukcja i cechy jednofazowych transformatorów rozdzielczych 20 kV

Zostały zaprojektowane dwa modele (50 kVA i 80 kVA), oba z konstrukcją zewnętrznego żelaza. Aby zmniejszyć główną izolację, dodano konstrukcję izolacji końcowej. Do wyprowadzenia użyto pojedynczego gniazdka. Koniec cewki wysokiego napięcia jest uziemiony i połączony z zbiornikiem. Cewka niskiego napięcia ma konstrukcję jednej cewki.

3.1 Porównanie technicznych parametrów między prototypowymi jednofazowymi transformatorami rozdzielczymi 20 kV i 10 kV

• Porównanie strat między 20 kV a 10 kV (na przykładzie 50 kVA i 80 kVA) przedstawione jest w Tabeli 1.

• Porównanie masy między 20 kV a 10 kV (na przykładzie 50 kVA i 80 kVA) przedstawione jest w Tabeli 2.

4. Jednofazowy transformator rozdzielczy dwunapięciowy 20 kV∥10 kV

Aktualizacja systemu rozdzielczego 10 kV do 20 kV wiąże się z wymianą kluczowego sprzętu, takiego jak transformatory rozdzielcze. Wysokie koszty wymiany i przerwy w dostawie energii wpływające na produkcję czynią projektowanie jednofazowego transformatora dwunapięciowego (10 kV/20 kV) rozwiązaniem, które może złagodzić te problemy.

4.1 Projekt

Na podstawie jednofazowego transformatora rozdzielczego z rdzeniem nawiniętym na 10 kV, ta wersja dwunapięciowa wykorzystuje relację 20 kV = 2×10 kV, używając szeregowo-równoległych cewek pierwotnych. Z dwiema równoległymi cewkami wysokiego napięcia, dwie kolumny rdzenia otrzymują cewki wysokiego i niskiego napięcia (cewki wysokiego napięcia są równoległe). Dwie cewki niskiego napięcia są szeregowe w punkcie "środkowym", co generuje ±220 V - ziemia dla dwóch użytkowników. Niech \(W_1\) (liczba zwitek wysokiego napięcia) i \(W_2\) (liczba zwitek niskiego napięcia). W przypadku równoległości, \(U_1/U_2 = W_1/W_2 = 10\ \text{kV}/220\ \text{V}\), a całkowity prąd wysokiego napięcia jest podwójny w stosunku do pojedynczej cewki. W przypadku szeregowego połączenia, prąd wejściowy wysokiego napięcia jest równy prądowi cewki.

4.2 Zastosowanie przełącznika

Pojemność pozostaje stała dla wejściowego napięcia wysokiego 20 kV lub 10 kV. Przy wejściowym napięciu 20 kV, dwie cewki wysokiego napięcia w szeregu oznaczają, że każda z nich ma 10 kV. Z prądem wysokiego napięcia \(I_1\), pojemność \(S_1 = I_1×20 = 20I_1\) (kVA). Po przełączeniu na 10 kV, równoległe cewki wysokiego napięcia dają wejściowy prąd \(2I_1\), więc \(S_1 = 2I_1×10 = 20I_1\) (kVA). Tak więc, \(S_1 = S_2\).

4.3 Konstrukcja

• Konstrukcja odpowiada jednofazowemu transformatorowi z nawiniętym rdzeniem (numer patentu 4612429).

• Przełączanie napięcia 10 kV/20 kV odbywa się za pomocą niezawodnego przełącznika kontaktowego.

• Izolacja spełnia standardy IEC dla transformatorów 20 kV (nominalne napięcie impulsowe: 125 kV).

• Hałas spełnia normy IEC i odpowiednie specyfikacje techniczne firm energetycznych.

4.4 Zalety jednofazowego transformatora dwunapięciowego

• Oszczędność energii: Straty w liniach systemu rozdzielczego 20 kV wynoszą 25% strat w systemie 10 kV, co daje oszczędność 75% energii. Dzięki zastosowaniu technologii jednofazowego rdzenia nawiniętego, straty bez obciążenia transformatora są niższe o 30% w porównaniu do obecnie używanego transformatora rozdzielczego typu S11.

• Oszczędność kosztów budowy: Przy aktualizacji z 10 kV do 20 kV, potrzebny jest tylko przełącznik, aby zmienić napięcie. To skraca czas przerwy w dostawie energii, a cały proces można zakończyć w ciągu kilku minut.

5. Podsumowanie

• Większość punktów neutralnych systemu 20 kV jest uziemiona poprzez system małego oporu. Dlatego łatwiej jest obsłużyć główne izolacje jednofazowych transformatorów na poziomie 20 kV w porównaniu z 10 kV.

• Straty obciążeniowe jednofazowych transformatorów klasy 20 kV są na tym samym poziomie co te klasy 10 kV; ich masa również jest porównywalna. W kwestii strat bez obciążenia, 20 kV jest niższe niż 10 kV. W zakresie impedancji, jednofazowy transformator 20 kV jest wyższy o 20% niż ten 10 kV.

• Jednofazowy transformator 20 kV jest względnie ekonomiczny. Jego cena nie będzie znacząco różnić się od ceny jednofazowych transformatorów klasy 10 kV.

• Jednofazowy transformator rozdzielczy dwunapięciowy 20 kV∥10 kV może być używany zarówno w systemach rozdzielczych 10 kV, jak i 20 kV. Podczas aktualizacji systemu 10 kV do 20 kV, nie ma potrzeby wymiany transformatora; wystarczy przełączenie przełącznika. Jest to stosunkowo ekonomiczne i wygodne rozwiązanie.