Desenvolvimento de Protótipo de Transformador Monofásico de Distribuição 20 kV

1. Projeto de Transformador Monofásico de Distribuição de 20 kV

Os sistemas de distribuição de 20 kV geralmente adotam linhas de cabo ou redes mistas de cabo e linha aérea, e o ponto neutro é geralmente aterrado através de uma pequena resistência. Quando ocorre um aterramento monofásico, não haverá o problema de a tensão de fase aumentar mais de √3 vezes, como no caso de uma falha monofásica em um sistema de 10 kV. Portanto, o transformador monofásico de distribuição do sistema de 20 kV pode adotar o tipo de aterramento na extremidade da bobina. Isso pode reduzir o isolamento principal do transformador monofásico de distribuição, fazendo com que o volume e o custo do transformador monofásico de distribuição de 20 kV não sejam muito diferentes daqueles de 10 kV.

2. Seleção de Tensões de Impulso e de Teste

Para o nível básico de impulso (BIL) e o nível de teste de isolamento do transformador monofásico de distribuição de 20 kV, as considerações são as seguintes:

O Padrão Nacional Americano ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) estipula que o nível básico de impulso (BIL) do lado de alta tensão (20 kV) é 125 kV; a tensão nominal do componente de alta tensão é 15.2 kV, e a tensão de resistência alternada (60 Hz/min) é 40 kV.

O teste de isolamento estipula que o teste de tensão aplicada não é necessário, mas o teste de tensão induzida deve ser realizado. Durante o teste, após aplicar uma tensão ao terminal de saída de uma bobina, a tensão de cada terminal de saída de alta tensão para o solo atinge 1 kV mais 3,46 vezes a tensão nominal da bobina do transformador. Ou seja, no teste de indução (teste de frequência dobrada e tensão dobrada), a alta tensão é:

2.1 Lado de Baixa Tensão (240/120 V)

• Nível Básico de Impulso (BIL): 30 kV

• Tensão de Resistência Alternada (60 Hz/min): 10 kV

2.2 De acordo com as Regulamentações Nacionais Chinesas de Supervisão e Teste de Qualidade de Transformadores

• Lado de alta tensão:

• Nível Básico de Impulso (BIL): 125 kV (onda completa), 140 kV (onda cortada)

• Tensão Induzida Alternada de Resistência (200 Hz/min): 40 kV

• Lado de baixa tensão:

• Tensão Aplicada (50 Hz/min): 4 kV

3. Estrutura e Características dos Transformadores Monofásicos de Distribuição de 20 kV

Foram prototipadas duas especificações (50 kVA e 80 kVA), ambas adotando uma estrutura de ferro externa. Para reduzir o isolamento principal, foi adicionada uma estrutura de isolamento na extremidade. Um único bocal é usado para a saída. A extremidade da bobina de alta tensão é aterrada e conectada ao tanque. A bobina de baixa tensão tem uma estrutura de bobina única.

3.1 Comparação de Desempenho Técnico entre os Transformadores Monofásicos de Distribuição Prototipados de 20 kV e 10 kV

• A comparação de perdas entre 20 kV e 10 kV (usando 50 kVA e 80 kVA como exemplos) está mostrada na Tabela 1.

• A comparação de peso entre 20 kV e 10 kV (usando 50 kVA e 80 kVA como exemplos) está mostrada na Tabela 2.

4. Transformador Monofásico de Distribuição Dual-Voltagem 20 kV∥10 kV

A atualização de um sistema de distribuição de 10 kV para 20 kV envolve a substituição de equipamentos-chave, como transformadores de distribuição. As substituições de alto custo e as interrupções de energia que prejudicam a produção tornam a concepção de um transformador monofásico dual-voltagem (10 kV/20 kV) uma solução para aliviar esses problemas.

4.1 Design

Com base no transformador monofásico de distribuição de núcleo enrolado de 10 kV, esta variante dual-voltagem utiliza a relação 20 kV = 2×10 kV, usando bobinas primárias em série-paralelo. Com duas bobinas de alta tensão em paralelo, duas colunas de núcleo recebem bobinas de alta e baixa tensão (bobinas de alta tensão em paralelo). Duas bobinas de baixa tensão em série no "ponto médio" fornecem ±220 V - terra para dois usuários. Seja W₁ (voltas de alta tensão) e W₂ (voltas de baixa tensão). Em paralelo, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220V, e a corrente total de alta tensão é o dobro de uma única bobina. Em série, a corrente de entrada de alta tensão é igual à corrente da bobina.

4.2 Aplicação de Comutação

A capacidade permanece consistente para entradas de alta tensão de 20 kV ou 10 kV. Na entrada de 20 kV, duas bobinas de alta tensão em série significam que cada uma suporta 10 kV. Com a corrente de alta tensão I₁, a capacidade S₁ = I₁×20 = 20I₁(kVA). Ao mudar para 10 kV, as bobinas de alta tensão em paralelo fornecem 2I₁ de corrente de entrada, então S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Portanto, S₁ = S₂).

4.3 Estrutura

• A estrutura corresponde ao transformador monofásico de núcleo enrolado (patente nº 4612429).

• A comutação de tensão 10 kV/20 kV usa um comutador de derivação confiável com tira de contato.

• O isolamento atende aos padrões de transformador de 20 kV da IEC (tensão de impulso nominal: 125 kV).

• O ruído atende às especificações técnicas da IEC e das empresas de energia relevantes.

4.4 Vantagens do Transformador Monofásico Dual-Voltagem

• Economia de Energia: A perda de linha do sistema de distribuição de 20 kV é 25% daquela do sistema de distribuição de 10 kV, alcançando uma economia de 75% de energia. Ao adotar a tecnologia de núcleo enrolado monofásico neste design, a perda sem carga do transformador é 30% menor que a do transformador de distribuição do tipo S11 atualmente em uso.

• Economia de Custos de Construção: Durante a atualização de 10 kV para 20 kV, apenas um interruptor de mudança de tensão é necessário para a troca de tensão. Isso reduz o tempo de interrupção de energia, e todo o processo operacional pode ser concluído em apenas alguns minutos.

5. Conclusão

• A maioria dos pontos neutros do sistema de 20 kV é aterrada através de um sistema de baixa resistência. Portanto, é mais fácil lidar com o isolamento principal dos transformadores monofásicos no nível de 20 kV em comparação com o nível de 10 kV.

• A perda de carga dos transformadores monofásicos de classe 20 kV está no mesmo nível daquela dos de classe 10 kV; seu peso também está em um nível comparável. Em termos de perda sem carga, 20 kV é menor que 10 kV. Quanto à impedância, o transformador monofásico de 20 kV é 20% maior que o de 10 kV.

• O transformador monofásico de 20 kV é relativamente econômico. Seu preço não diferirá significativamente daquele dos transformadores monofásicos de classe 10 kV.

• O transformador monofásico de distribuição dual-voltagem 20 kV∥10 kV pode ser usado tanto em sistemas de distribuição de 10 kV quanto de 20 kV. Ao atualizar um sistema de 10 kV para 20 kV, não é necessário substituir o transformador; basta mudar o interruptor de mudança de tensão. É um método relativamente econômico e conveniente.