Средневольтной твердотельный трансформатор, первичное напряжение, МЭК 60038, ANSI C84.1, класс 15 кВ, Um 17,5 кВ, BIL, 50/60 Гц, глобальные сетевые нормы, изоляционная платформа.
В данном отчете представлен систематический обзор требований к напряжению на стороне первичной сети (со стороны сети) для твердотельных трансформаторов (SST) — также называемых силовыми электронными трансформаторами (PET) — на мировых рынках за пределами Китая.
Основные определения:
Первичное напряжение / напряжение со стороны сети: Уровень распределения среднего напряжения, к которому подключается SST. Это является фундаментальной основой для проектирования изоляции, количества последовательно соединенных силовых модулей, выбора ограничителей перенапряжения, соответствия требованиям ЭМС и сертификации для подключения к сети.
Номинальное напряжение (U): Номинальное напряжение системы (например, 11 кВ, 13,8 кВ).
Наибольшее напряжение для оборудования (Um): Расчетное напряжение для проектирования изоляции, обычно на 10%–20% выше номинального напряжения.
Базовый уровень грозового импульса (BIL): Способность изоляции выдерживать грозовые перенапряжения.
Испытательное напряжение промышленной частоты: Кратковременное выдерживаемое напряжение промышленной частоты, приложенное к изоляции и к контактным промежуткам (разомкнутым контактам).
Стандартное определение среднего напряжения:
Система МЭК (IEC 60038 / IEC 60076 / IEC 62271): Среднее напряжение определяется как от 1 кВ до 35 кВ. МЭК 60038, издание 7.1 (2009 + AMD1:2021), таблица 3, делит трехфазные системы 1 кВ–35 кВ на Серию I (общего назначения, 50/60 Гц) и Серию II (североамериканскую, специфичную для 60 Гц). Значения в скобках (например, 15 кВ, 17,5 кВ) обозначены как «непредпочтительные» и не рекомендуются для новых систем.
Система IEEE/ANSI (ANSI C84.1 / IEEE C57 / IEEE C37): Среднее напряжение обычно определяется как >1 кВ и <100 кВ, при этом напряжения распределения обычно находятся в диапазоне от 2,4 кВ до 34,5 кВ. Оборудование классифицируется по Классу напряжения, а не по номинальному напряжению, для целей изоляции.
Обзор частот электросетей:
Примерно 70% стран/регионов используют 50 Гц (доминирование МЭК).
Примерно 30% используют 60 Гц (доминирование IEEE, включая Северную Америку, Латинскую Америку и части Азии).
В некоторых странах действует двойная частота 50/60 Гц (Япония, некоторые страны Карибского бассейна).
Твердотельные трансформаторы серии RW Твердотельные трансформаторы
Объединяя стандарты МЭК 60038 и ANSI C84.1/IEEE, глобальные первичные напряжения среднего напряжения можно свести к следующим 13 ключевым уровням. Для достижения SST «полного глобального охвата» каждая платформа изоляции должна рассматриваться индивидуально.
Уровень 1: 3,3 кВ / 3,6 кВ (нижний предел МЭК)
Um = 3,6 кВ, BIL ≈ 20–40 кВ.
Применение: Промышленные распределительные сети в некоторых странах, горнодобывающая промышленность, крупные промышленные предприятия. В МЭК 60038 классифицируется как «не рекомендуется для новых систем общественного распределения».
Регионы: Исторические установки в Австрии, Бельгии и других европейских странах; части Восточной Европы и системы под российским влиянием. Спрос на SST невелик; может быть поглощен платформой 7,2 кВ за счет совместимости в сторону понижения.
Уровень 2: 6,6 кВ / 7,2 кВ (класс МЭК 7,2 кВ)
Um = 7,2 кВ, BIL = 60 кВ, Испытательное напряжение промышленной частоты = 20 кВ.
Частота: сосуществование 50/60 Гц.
Регионы: Япония (основная в Восточной Японии), Южная Корея (промышленная), Австралия, Новая Зеландия, части Восточной Европы (российские 6 кВ), Южная Африка (исторические).
Примечание: В МЭК 60038 6,6 кВ соответствует Um = 7,2 кВ и является уровнем «общего назначения».
Уровень 3: 10 кВ / 11 кВ (класс МЭК 12 кВ)
Um = 12 кВ, BIL = 75 кВ, Испытательное напряжение промышленной частоты = 28 кВ.
Частота: преимущественно 50 Гц.
Регионы: Ядро Великобритании и бывших систем Британского Содружества/колониальных систем; один из наиболее широко используемых уровней в мире — Индия, Австралия, Новая Зеландия, Южная Африка, Египет, Кения, Нигерия, ОАЭ (DEWA/ADDC), Катар, Кувейт, Оман, Бангладеш, Непал, Малайзия, Шри-Ланка и т. д.
Примечание: В стандарте МЭК 60038 указаны как 10 кВ (более старая континентальная европейская система), так и 11 кВ (британская система). Оборудование единообразно спроектировано для платформы Um = 12 кВ / BIL = 75 кВ.
Уровень 4: 12,47 кВ / 13,2 кВ / 13,8 кВ (класс 15 кВ по IEEE)
Um ≈ 15 кВ, BIL = 95 кВ (в некоторых случаях опционально 110 кВ), выдерживаемое напряжение промышленной частоты ≈ 36 кВ.
Частота: 60 Гц.
Регионы: Абсолютная основа Северной Америки (США, Канада), охватывающая >60% нагрузки среднего напряжения в США; Латинская Америка (Бразилия, Мексика, Аргентина, Чили); Филиппины.
Примечание: 12,47 / 13,2 / 13,8 кВ все относятся к одному и тому же «классу изоляции 15 кВ» согласно ANSI C84.1. Изоляция, разрядники и кабели выбираются по классу, а не по номинальному напряжению. Это универсальное правило в распределительных сетях Северной Америки.
Уровень 5: 15 кВ (система МЭК, непредпочтительное значение) – [Ключевое дополнение]
Um = 17,5 кВ, BIL = 95 кВ, выдерживаемое напряжение промышленной частоты = 38 кВ (номинал кабеля: 8,7/15 кВ).
Частота: 50 Гц.
Ссылка на стандарт: В стандарте МЭК 60038, Серия I, (17,5) — (15) указано в скобках как «непредпочтительное» значение, но оно остается признанным напряжением.
Основные регионы применения — Восточная Африка (Африканский Рог):
Эфиопия: Основа распределительной сети среднего напряжения состоит из двух уровней: 15 кВ и 33 кВ. Распределительная сеть питается от понижающих трансформаторов 132/33 кВ, 132/15 кВ и 45/15 кВ. Ethiopian Electric Power (EEP) инициировала массовую замену распределительных устройств 15 кВ и 33 кВ на множестве подстанций (например, Haramaya II, Chellenko II, Woliso и др. на 132/33/15 кВ). Большинство фидерных линий в Аддис-Абебе работают на напряжении 15 кВ.
Кения: Исторические сети включают 15 кВ наряду с системами 11/33 кВ.
Танзания, Уганда и другие члены Восточноафриканского сообщества: Существуют некоторые применения 15 кВ из-за региональной координации сетей.
Турция: Среднее напряжение включает 15 кВ (наряду с 6,3 / 11 / 20 / 34,5 кВ).
Северная Африка / Ближний Восток: В некоторых странах устаревшие унаследованные системы работают на напряжении 15 кВ.
⚠️ Критическое предупреждение по проектированию (распространенная ошибка экспортеров SST):
Для МЭК 15 кВ Um = 17,5 кВ, тогда как для «класса 15 кВ» IEEE 13,8 кВ Um ≈ 15 кВ. Хотя оба имеют BIL = 95 кВ, максимальное напряжение для оборудования различается.
Остаточное напряжение разрядника, длины утечки, балансировка напряжения силового модуля и изоляция кабеля должны рассчитываться для 17,5 кВ.
Не используйте аппаратную платформу IEEE 15 кВ для применений МЭК 15 кВ — запас изоляции будет недостаточным, что приведет к рискам долгосрочного пробоя. И наоборот, использование платформы МЭК 17,5 кВ в Северной Америке приводит к чрезмерным затратам.
Следовательно, МЭК 15 кВ (Um = 17,5 кВ) и класс 15 кВ IEEE (Um ≈ 15 кВ) должны рассматриваться как две совершенно независимые платформы изоляции.
Уровень 6: 20 кВ / 24 кВ (класс 24 кВ по МЭК)
Um = 24 кВ, BIL = 125 кВ, выдерживаемое напряжение промышленной частоты = 50 кВ.
Частота: Преимущественно 50 Гц.
Регионы: Стандартное распределение в континентальной Европе — Германия, Франция, Нидерланды, Бельгия, Австрия, Швейцария, Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия, Испания, Португалия, Италия; а также части Латинской Америки (в Бразилии смешанное распределение 20 кВ).
Примечание: В стандарте МЭК 60038 указаны как 20 кВ, так и 24 кВ (20 кВ как номинальное, 24 кВ как Um). Оборудование единообразно спроектировано для Um = 24 кВ / BIL = 125 кВ. Во Франции используются как 20 кВ, так и 33 кВ.
Уровень 7: 22 кВ (Региональный де-факто стандарт)
Um = 24 кВ, BIL = 125 кВ, выдерживаемое напряжение промышленной частоты = 50 кВ.
Частота: 50 Гц.
Регионы: Индонезия, Таиланд, Вьетнам (страны Юго-Восточной Азии с системой МЭК); Южная Корея также включает 22 кВ (стандартное распределительное напряжение KEPCO составляет 22 900 В, т. е. 22,9 кВ, 60 Гц); в Западной Японии используется 22 кВ.
⚠️ Критическое напоминание: 22 кВ не входит в предпочтительный ряд IEC 60038; это региональное отклонение рабочего напряжения. Однако оборудование должно быть рассчитано на Um = 24 кВ, BIL = 125 кВ. Несоответствие приведет к отказу при испытаниях на грозовые/импульсные перенапряжения на месте в Юго-Восточной Азии. В IEC 60038 отмечается, что 22,9 кВ (с Um = 24,2 или 25,8 кВ) используется в «некоторых странах» — конкретно упоминается Южная Корея.
Серия RW Гибридный твердотельный трансформатор переменного и постоянного тока
Уровень 8: 24,94 кВ / 26,4 кВ (класс IEEE 25 кВ)
Um = 27 кВ, BIL = 125 кВ (150 кВ опционально), испытательное напряжение промышленной частоты ≈ 50 кВ.
Частота: 60 Гц.
Регионы: Северная Америка (пригороды США, сельские протяженные линии с легкой нагрузкой, соответствующие 24,94 кВ GrdY/14,4 кВ); части Латинской Америки.
Примечание: Классифицируется как «класс 25 кВ» согласно ANSI C84.1. Уровни изоляции близки к IEC 24 кВ, но допуски системного напряжения отличаются.
Уровень 9: 30 кВ / 33 кВ (класс IEC 36 кВ)
Um = 36 кВ, BIL = 170 кВ, испытательное напряжение промышленной частоты = 70 кВ.
Частота: 50 Гц.
Регионы: материковая часть Великобритании (первичное распределение 33 кВ), Индия (33 кВ ВН), Южная Африка (Eskom), Египет, Кения, Нигерия и другие африканские страны, Австралия, Новая Зеландия (33 кВ), страны Персидского залива (ОАЭ, Саудовская Аравия, Катар и др.), Эфиопия (33 кВ наряду с 15 кВ в качестве основы).
Примечание: В IEC 60038 30 кВ и 33 кВ указаны параллельно; оба рассчитаны на Um = 36 кВ / BIL = 170 кВ. В некоторых африканских странах 33 кВ классифицируется как «высокое напряжение» для целей тарификации.
Уровень 10: 34,5 кВ (класс IEEE 35 кВ)
Um = 38 кВ (или класс 36 кВ), BIL = 200 кВ (150 кВ опционально), испытательное напряжение промышленной частоты = 80 кВ.
Частота: 60 Гц.
Регионы: Северная Америка (США, Канада — сельские протяженные линии, подключение возобновляемых источников энергии), Бразилия, Мексика, другие страны Латинской Америки (вторичное распределение/подпередача), Филиппины (34,5 кВ).
Примечание: Классифицируется как «класс 35 кВ» согласно ANSI C84.1. Это основное напряжение для подключения электростанций на возобновляемых источниках энергии в Северной Америке.
Уровень 11: 35 кВ (IEC, некоторые страны)
Um = 40,5 кВ, BIL = 200 кВ (в некоторых случаях нижний уровень 145 кВ).
Частота: 50 Гц.
Регионы: Франция, части Северной Европы, Восточной Европы, системы советского типа, Вьетнам (35 кВ), части Южной Америки.
Примечание: Это верхний предел ряда I IEC 60038. Хотя численно близко к IEEE 34,5 кВ, изоляция (Um = 40,5 против 38 кВ) и частота (50 против 60 Гц) отличаются. ТТ необходимо адаптировать отдельно.
Уровень 12: 45 кВ / 66 кВ (переход между распределением и передачей)
Um = 52 кВ / 72,5 кВ, BIL ≈ 250 кВ / 325 кВ соответственно.
Регионы: Эфиопия (45 кВ, 66 кВ подпередача), Великобритания (66 кВ), Южная Африка (66 кВ), Новая Зеландия (66 кВ), Северная Америка (69 кВ).
Примечание: Они приближаются к границе СН/ВН. Если здесь применяются ТТ, проектирование должно соответствовать классу 72,5 кВ. В данном отчете основное внимание уделяется напряжениям до 38 кВ.
Уровень 13: Однопроводная линия с заземлением (SWER) — особый случай
Таблица 7 IEC 60038: Um = 24 кВ соответствует системным напряжениям 13,9 кВ / номинальное 12,7 кВ; Um = 36 кВ соответствует 20,8 кВ / 19,1 кВ. В основном используется в отдаленных районах Австралии и Новой Зеландии (12,7 кВ / 19,1 кВ SWER).
Применение ТТ ограничено, но изоляция по-прежнему привязана к классам 24 кВ / 36 кВ.
Предпочтительный ряд номинальных напряжений IEC 60038 Ряд I (1–35 кВ):
3,3 — 6,6 — 11 — (15) — 22 — 33 — (35) кВ
Соответствующая последовательность Um:
3,6 — 7,2 — 12 — (17,5) — 24 — 36 — (40,5) кВ
Региональные группировки:
Континентальная Европа (система 20/24 кВ): Германия, Франция, Нидерланды, страны Северной Европы и т.д. Изоляция: Um = 24 кВ / BIL = 125 кВ.
Система Великобритании и Содружества (последовательность 11/33 кВ): Великобритания, Индия, Австралия/Новая Зеландия, Южная Африка, Ближний Восток, большая часть Юго-Восточной Азии. Соответствует Um = 12 кВ (BIL 75) и Um = 36 кВ (BIL 170).
Смешанная сеть 22 кВ Юго-Восточной Азии: Индонезия, Таиланд, Вьетнам – привязана к платформе Um = 24 кВ.
Система 15 кВ Восточной Африки (ключевой фокус): Эфиопия (магистральная сеть 15+33 кВ), Кения, Танзания и др. 15 кВ работает как независимая платформа при Um = 17,5 кВ / BIL = 95 кВ. Это наиболее значимое реальное применение нерекомендуемого значения 15 кВ по стандартам МЭК в мире.
Серия RW Твердотельный трансформатор SST 40,5 кВ
Напряжения в Северной Америке происходят от прогрессии 120 В × √3 (2,4 → 4,16 → 12,47 → 13,8 → 24,94 → 34,5 кВ), что принципиально отличается от европейской базы 220 В (3,3/6,6/11 кВ).
Класс изоляции (класс напряжения) согласно ANSI C84.1 + IEEE C57.12.00:
Класс 5 кВ: Охватывает 4,16 кВ, Um ≈ 4,76 кВ, BIL = 60 кВ.
Класс 15 кВ: Охватывает 12,47 / 13,2 / 13,8 кВ, Um ≈ 15 кВ, BIL = 95 кВ (опционально 110 кВ).
Класс 25 кВ: Охватывает 24,94 кВ, Um = 27 кВ, BIL = 125 кВ (опционально 150 кВ).
Класс 35 кВ: Охватывает 34,5 кВ, Um = 38 кВ, BIL = 200 кВ (опционально 150 кВ).
Основные регионы:
Ядро Северной Америки (13,8 кВ + 34,5 кВ): США, Канада.
Латинская Америка (13,8/34,5 кВ): Бразилия, Мексика, Аргентина, Чили и др.
Азиатско-Тихоокеанский регион 60 Гц (система IEEE): Филиппины (13,8/23/34,5 кВ), Южная Корея (22,9/34,5 кВ, 60 Гц), Саудовская Аравия (части на 13,8 кВ, 60 Гц для нефтегазовой и муниципальной сферы).
⚠️ Критическое напоминание: Североамериканский «Класс 15 кВ» — это концепция класса изоляции, где 12,47/13,2/13,8 кВ используют одну и ту же платформу изоляции. Это не следует путать с 15 кВ по стандартам МЭК (Um = 17,5 кВ).
Япония (сосуществование 50/60 Гц – единственный в мире раздел частоты на Восток и Запад):
Восточная Япония (Токио, Хоккайдо и др., 50 Гц): основное напряжение 6,6 кВ, с 22 кВ в центре Токио и для крупных потребителей (SST требует платформы 22 кВ).
Западная Япония (Кансай, Кюсю и др., 60 Гц): основное напряжение 22 кВ.
Диапазон средних напряжений: от 6,6 кВ до 66 кВ; магистральная распределительная сеть составляет ок. 740 000 км. Соединены через 4 станции преобразователей частоты HVDC.
Стратегия SST: Требуются платформы 7,2 кВ и 24 кВ + переключение прошивки с двойной частотой 50/60 Гц.
Южная Корея (60 Гц, гибрид напряжения МЭК и частоты IEEE):
Стандартное распределительное напряжение: 22 900 В (22,9 кВ); также имеются 6,6 кВ и 34,5 кВ.
22,9 кВ классифицируется по стандартам МЭК как близкое к классу 24 кВ (Um = 24,2/25,8 кВ), BIL = 125 кВ.
Стратегия SST: Платформа 24 кВ + 60 Гц; необходимо соответствие техническим спецификациям подключения к сети KEPCO (особенно защита от образования островов, гармоники, инжекция постоянного тока <0,5%, коэффициент мощности >90%).
Южная Африка, Австралия: Номинально соответствуют МЭК, но имеют несколько сосуществующих напряжений (11/22/33 кВ), а в Австралии имеется 12,7/19,1 кВ SWER.
Твердотельные трансформаторы применяют силовое электронное преобразование (AC-DC-AC + высокочастотный разделительный трансформатор). Основная координация изоляции должна удовлетворять как: (а) стандартам выдерживаемого напряжения со стороны сети, так и (б) перенапряжениям при запирании и балансировке напряжения внутренних модулей IGBT/MOSFET/SiC.
Ключевое сопоставление изоляции:
| System Voltage |
Um |
BIL |
Power-Frequency Withstand |
Frequency / System |
|---|---|---|---|---|
| 3.3 kV |
3.6 kV |
≈40 kV |
≈10 kV |
IEC |
| 6.6 / 7.2 kV |
7.2 kV |
60 kV |
20 kV |
IEC (50/60 Hz) |
| 10 / 11 kV |
12 kV |
75 kV |
28 kV |
IEC (50 Hz) |
| 12.47 / 13.2 / 13.8 kV |
≈15 kV |
95 kV |
36 kV |
IEEE 15 kV Class (60 Hz) |
| IEC 15 kV |
17.5 kV |
95 kV |
38 kV |
IEC 50 Hz – East Africa (Ethiopia, etc.) ⚠️ Independent |
| 20 / 22 / 24 kV |
24 kV |
125 kV |
50 kV |
IEC 24 kV Class (50 Hz) |
| 24.94 kV (IEEE 25 kV Class) |
27 kV |
125–150 kV |
≈50 kV |
IEEE (60 Hz) |
| 30 / 33 kV |
36 kV |
170 kV |
70 kV |
IEC (50 Hz) |
| 34.5 / 35 kV |
38 / 40.5 kV |
200 kV (145 kV opt.) |
80 kV |
IEEE / IEC (60/50 Hz) |
Вход
