Прототип розробки однофазного трансформатора розподілу 20 кВ

1. Проектування однофазного трансформатора розподілу 20 кВ

Системи розподілу 20 кВ зазвичай використовують кабельні лінії або мішаний кабельно-повітряний мережевий супуток, а нейтральна точка найчастіше заземлена через невелику опір. Коли виникає однофазне заземлення, не буде проблеми, що фазове напруга підвищиться більше ніж на √3 рази, як у випадку однофазної аварії в системі 10 кВ. Тому однофазний трансформатор розподілу 20 кВ може використовувати тип заземлення кінця обмотки. Це може знизити основну ізоляцію однофазного трансформатора розподілу, роблячи об'єм і вартість однофазного трансформатора розподілу 20 кВ не значно відрізняються від тих, що в системі 10 кВ.

2. Вибір імпульсних та пробних напруг

Для базового рівня імпульсу (BIL) та рівня іспиту відносно ізоляції однофазного трансформатора розподілу 20 кВ, враховуються такі фактори:

Американський національний стандарт ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) встановлює, що базовий рівень імпульсу (BIL) високої сторони (20 кВ) становить 125 кВ; номінальна напруга високовольтажного компонента становить 15.2 кВ, а переносима напруга постійного струму (60 Гц/хв) становить 40 кВ.

Іспит ізоляції встановлює, що іспит прикладеної напруги не потрібен, але повинен бути проведенний індуктивний іспит напруги. Під час іспиту, після прикладання напруги до виходу одного згортку, напруга кожного високовольтажного виходу до землі досягає 1 кВ плюс 3.46 рази номінальна напруга згортку трансформатора. Тобто, при індуктивному іспиті (іспит удвоєної частоти та напруги), високовольтажна напруга становить:

2.1 Низьковольтажна сторона (240/120 В)

• Базовий рівень імпульсу (BIL): 30 кВ

• Переносима напруга постійного струму (60 Гц/хв): 10 кВ

2.2 Згідно з Китаєзькими Національними Правилами Якості Трансформаторів та Іспитів

• Високовольтажна сторона:

• Базовий рівень імпульсу (BIL): 125 кВ (повна хвиля), 140 кВ (зрізана хвиля)

• Індуктивна переносима напруга постійного струму (200 Гц/хв): 40 кВ

• Низьковольтажна сторона:

• Прикладена напруга (50 Гц/хв): 4 кВ

3. Структура та особливості однофазних трансформаторів розподілу 20 кВ

Два види (50 кВА та 80 кВА) були спроектовані, обидва ззовні мають залізну конструкцію. Для зниження основної ізоляції була додана конструкція кінцевої ізоляції. Використовується один ввод для виведення. Кінець високовольтажного згортку заземлений та підʼєднаний до баку. Низьковольтажний згорток має односпіральну конструкцію.

3.1 Порівняння технічних характеристик між прототипами однофазних трансформаторів розподілу 20 кВ та 10 кВ

• Порівняння втрат між 20 кВ та 10 кВ (на прикладі 50 кВА та 80 кВА) показано в таблиці 1.

• Порівняння ваги між 20 кВ та 10 кВ (на прикладі 50 кВА та 80 кВА) показано в таблиці 2.

4. Однофазний двовольтажний трансформатор розподілу 20 кВ∥10 кВ

Оновлення системи розподілу 10 кВ до 20 кВ включає заміну ключового обладнання, такого як трансформатори розподілу. Високі витрати на заміну та відключення електроенергії, що призводять до перебоїв у виробництві, роблять проектування двовольтажного (10 кВ/20 кВ) однофазного трансформатора рішенням для зменшення цих проблем.

4.1 Дизайн

На основі однофазного трансформатора розподілу 10 кВ з намотаним сердечником, цей двовольтажний варіант використовує співвідношення 20 кВ = 2×10 кВ, використовуючи рядово-паралельні первинні обмотки. З двома паралельними високовольтажними обмотками, два стовпці сердечника отримують високовольтажні/низьковольтажні обмотки (високовольтажні обмотки паралельно). Дві низьковольтажні обмотки послідовно на "середині" виводять ±220 В - до землі для двох користувачів. Нехай W₁ (число витків високовольтажної обмотки) і W₂ (число витків низьковольтажної обмотки). У паралельному режимі, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 кВ/220В, а загальний струм високовольтажної обмотки подвоюється. У рядовому режимі, вхідний струм високого напруги дорівнює струму обмотки.

4.2 Застосування переключення

Місткість залишається незмінною для вхідних напруг 20 кВ або 10 кВ. При вхідній напругі 20 кВ, дві високовольтажні обмотки в ряду означають, що кожна з них несе 10 кВ. З високовольтажним струмом I₁, місткість S₁ = I₁×20 = 20I₁(кВА). Переключення на 10 кВ, паралельні високовольтажні обмотки дають 2I₁ вхідний струм, тому S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (кВА). Таким чином, S₁ = S₂).

4.3 Конструкція

• Конструкція відповідає однофазному трансформатору з намотаним сердечником (патент № 4612429).

• Переключення напруги 10 кВ/20 кВ використовує надійний контактний стрічковий переключник.

• Ізоляція відповідає стандартам IEC для трансформаторів 20 кВ (номінальна імпульсна напруга: 125 кВ).

• Шум відповідає стандартам IEC та технічним специфікаціям відповідних енергетичних компаній.

4.4 Переваги однофазного двовольтажного трансформатора

• Економія енергії: Втрати в лініях системи розподілу 20 кВ становлять 25% від втрат в системі 10 кВ, що забезпечує економію енергії на 75%. Використовуючи технологію намотки сердечника в цьому дизайні, безнавантажені втрати трансформатора нижчі на 30% порівняно зі сучасними трансформаторами типу S11.

• Збереження коштів на будівництво: Під час оновлення з 10 кВ до 20 кВ потрібен лише переключач для зміни напруги. Це зменшує час відключення електроенергії, і весь процес може бути завершений за кілька хвилин.

5. Висновок

• Більшість нейтральних точок системи 20 кВ заземлені через систему з малим опором. Тому, головна ізоляція однофазних трансформаторів на рівні 20 кВ легше управлінна порівняно з рівнем 10 кВ.

• Втрати на завантаженні трансформаторів класу 20 кВ знаходяться на тому ж рівні, що і у трансформаторів класу 10 кВ; їх вага також на порівняному рівні. Щодо безнавантажених втрат, 20 кВ нижче, ніж 10 кВ. Щодо імпедансу, однофазний трансформатор 20 кВ на 20% вищий, ніж однофазний трансформатор 10 кВ.

• Однофазний трансформатор 20 кВ є відносно економічним. Його ціна не буде значно відрізнятися від ціни однофазних трансформаторів класу 10 кВ.

• Однофазний двовольтажний трансформатор розподілу 20 кВ∥10 кВ може бути використаний як в системах розподілу 10 кВ, так і 20 кВ. Під час оновлення системи 10 кВ на 20 кВ немає потреби заміняти трансформатор; достатньо просто переключити переключач. Це є відносно економічним та зручним методом.