20 kV Tek Fazlı Dağıtım Trafonun Prototip Geliştirilmesi

1. 20 kV Tek Fazlı Dağıtım Trafo Tasarımı

20 kV dağıtım sistemleri genellikle kablo hatları veya karışık kablo-hava yolu ağlarını kullanır ve nötr nokta çoğunlukla küçük bir direnç aracılığıyla yerleştirilir. Tek fazlı bir bağlantı olduğunda, 10 kV sistemindeki tek faz hatası durumunda olduğu gibi faz geriliminin √3 katından fazla artması sorunu ortaya çıkmaz. Bu nedenle, 20 kV sistemin tek fazlı dağıtım trafoyu bobinin ucunun yerleştirilmesi türüne sahip olabilir. Bu, tek fazlı dağıtım trafonun ana yalıtımını azaltarak, 20 kV tek fazlı dağıtım trafonun hacmi ve maliyetinin 10 kV'ye kıyasla çok farklı olmamasını sağlar.

2. Darbe ve Test Gerilimlerinin Seçimi

20 kV tek fazlı dağıtım trafonun temel darbe seviyesi (BIL) ve yalıtım test seviyesi için aşağıdaki hususlar dikkate alınmıştır:

Amerikan Ulusal Standardı ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972), yüksek gerilimli tarafın (20 kV) temel darbe seviyesinin (BIL) 125 kV olduğunu belirtir; yüksek gerilimli bileşenin nominal gerilimi 15.2 kV'dir ve AC dayanıklılık gerilimi (60 Hz/dak) 40 kV'dir.

Yalıtım testinde uygulanan gerilim testi gerekmemektedir, ancak indüklenmiş gerilim testi mutlaka yapılmalıdır. Test sırasında, bir bobinin çıkış uçlarına gerilim uygulandıktan sonra, her yüksek gerilimli çıkış ucundaki toprağa olan gerilim, 1 kV ile trafo bobini nominal geriliminin 3.46 katının toplamına eşittir. Yani, indüksiyon testinde (frekansta ikiye katlanmış ve gerilimde ikiye katlanmış testte), yüksek gerilim şu şekildedir:

2.1 Düşük Gerilimli Taraf (240/120 V)

• Temel Darbe Seviyesi (BIL): 30 kV

• AC Dayanıklılık Gerilimi (60 Hz/dak): 10 kV

2.2 Çin Ulusal Trafo Kalite Denetleme Test Yönetmeliğine Göre

• Yüksek gerilimli taraf:

• Temel Darbe Seviyesi (BIL): 125 kV (tam dalga), 140 kV (kesilmiş dalga)

• AC İndüklenmiş Dayanıklılık Gerilimi (200 Hz/dak): 40 kV

• Düşük gerilimli taraf:

• Uygulanan Gerilim (50 Hz/dak): 4 kV

3. 20 kV Tek Fazlı Dağıtım Trafoların Yapısı ve Özellikleri

İki spesifikasyon (50 kVA ve 80 kVA) prototiplendirildi, her ikisi de dış demir yapısını benimsedi. Ana yalıtımı azaltmak için uç yalıtım yapısı eklendi. Bir giriş çıkış için tek bir şapka kullanılır. Yüksek gerilimli bobinin ucu yerleştirilip tanka bağlanır. Düşük gerilimli bobin tek bobin yapısındadır.

3.1 Prototiplendirilen 20 kV ve 10 kV Tek Fazlı Dağıtım Trafolar Arasındaki Teknik Performans Karşılaştırması

• 20 kV ve 10 kV arasındaki kayıp karşılaştırması (50 kVA ve 80 kVA örnekleriyle) Tablo 1'de gösterilmektedir.

• 20 kV ve 10 kV arasındaki ağırlık karşılaştırması (50 kVA ve 80 kVA örnekleriyle) Tablo 2'de gösterilmektedir.

4. 20 kV∥10 kV Tek Fazlı Çift Gerilimli Dağıtım Trafo

10 kV'yi 20 kV'ye yükseltmek, dağıtım trafoları gibi ana ekipmanların değiştirilmesini gerektirir. Yüksek maliyetli değişimler ve üretim kesintileri bu sorunları hafifletmek için tek fazlı çift gerilimli (10 kV/20 kV) trafo tasarımı bir çözüm sunmaktadır.

4.1 Tasarım

10 kV sarılmış çekirdek tek fazlı dağıtım trafosuna dayanarak, bu çift gerilimli varyant 20 kV = 2×10 kV ilişkisini kullanır ve serile paralel birincil bobinler kullanır. İki paralel yüksek gerilimli bobinle, iki çekirdek sütunu yüksek gerilimli/düşük gerilimli bobinler alır (yüksek gerilimli bobinler paraleldir). İki düşük gerilimli bobin "ortanca" çıkışta ±220 V - toprak olarak iki kullanıcıya güç sağlar. W₁ (yüksek gerilimli bobin sayısı) ve W₂ (düşük gerilimli bobin sayısı) olsun. Paralelde U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 kV/220 V, ve toplam yüksek gerilimli akım tek bir bobinin akımının iki katıdır. Seride, yüksek gerilimli giriş akımı bobin akımına eşittir.

4.2 Anahtarlama Uygulaması

20 kV veya 10 kV yüksek gerilimli girişler için kapasite aynı kalır. 20 kV girişinde, iki yüksek gerilimli bobin seride her biri 10 kV taşır. Yüksek gerilimli akım I₁ ise, kapasite S₁ = I₁×20 = 20I₁ (kVA). 10 kV'ye geçişte, paralel yüksek gerilimli bobinler 2I₁ giriş akımı sağlar, böylece S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (kVA). Böylece, S₁ = S₂.

4.3 Yapı

• Yapı tek fazlı sarılmış çekirdek trafo ile eşleşir (patent no. 4612429).

• 10 kV/20 kV gerilim anahtarlama güvenilir bir temas şeridi tap çoğaltıcı kullanılarak gerçekleştirilir.

• Yalıtım IEC 20 kV trafo standartlarına uygun olup (nominal darbe gerilimi: 125 kV).

• Gürültü IEC ve ilgili elektrik şirketlerinin teknik özelliklerine uygundur.

4.4 Tek Fazlı Çift Gerilimli Trafonun Avantajları

• Enerji Tasarrufu: 20 kV dağıtım sisteminin hat kaybı, 10 kV dağıtım sisteminin hat kaybının %25'ine karşılık gelir, bu da %75 enerji tasarrufu sağlar. Bu tasarım, tek fazlı sarılmış çekirdek teknolojisini benimseyerek, dönüşümün boş yük kaybını mevcut S11 tipi dağıtım trafa dan %30 daha düşük tutar.

• Inşaat Maliyet Tasarrufu: 10 kV'den 20 kV'ye yükseltme sırasında, sadece bir anahtar ile gerilim değiştirilebilir. Bu, güç kesinti süresini azaltır ve tüm işlem birkaç dakika içinde tamamlanabilir.

5. Sonuç

• 20 kV sisteminin çoğu nötr noktası, küçük bir direnç sistem aracılığıyla yerleştirilir. Bu nedenle, 20 kV düzeyindeki tek fazlı trafoların ana yalıtımını, 10 kV düzeyine göre daha kolay ele almak mümkündür.

• 20 kV sınıfındaki tek fazlı trafoların yük kaybı, 10 kV sınıfındaki trafoların yük kaybı düzeyindedir; ağırlıkları da benzer seviyededir. Boş yük kaybı açısından, 20 kV, 10 kV'den daha düşüktür. Empedans açısından, 20 kV tek fazlı trafo, 10 kV'ye kıyasla %20 daha yüksektir.

• 20 kV tek fazlı trafo, nispeten ekonomiktir. Fiyatı, 10 kV sınıfındaki tek fazlı trafolardan önemli ölçüde farklı olmayacaktır.

• 20 kV∥10 kV tek fazlı çift gerilimli dağıtım trafo, hem 10 kV hem de 20 kV dağıtım sistemlerinde kullanılabilir. 10 kV sistemini 20 kV sistemine yükseltirken, trafenin değiştirilmesi gerekmez; sadece anahtarlama yeterlidir. Bu, nispeten ekonomik ve pratik bir yöntemdir.