Прототипирование разработки однофазного распределительного трансформатора на 20 кВ

1. Проектирование однофазного распределительного трансформатора на 20 кВ

Распределительные системы на 20 кВ обычно используют кабельные линии или смешанные сети кабель-воздушная линия, и нейтральная точка в основном заземлена через малое сопротивление. При однофазном заземлении не возникает проблема, когда фазное напряжение увеличивается более чем на √3 раза, как в случае однофазного повреждения в системе на 10 кВ. Поэтому для однофазного распределительного трансформатора системы на 20 кВ можно использовать тип заземления конца обмотки. Это может уменьшить основную изоляцию однофазного распределительного трансформатора, делая объем и стоимость однофазного распределительного трансформатора на 20 кВ не намного отличающимися от тех, что на 10 кВ.

2. Выбор импульсных и испытательных напряжений

Для базового уровня импульсного напряжения (BIL) и уровня изоляционного испытания однофазного распределительного трансформатора на 20 кВ рассмотрены следующие соображения:

Американский национальный стандарт ANSI C57.12.00—1973 (IEEE Std 462—1972) предписывает, что базовый уровень импульсного напряжения (BIL) высоковольтной стороны (20 кВ) составляет 125 кВ; номинальное напряжение высоковольтной составляющей равно 15,2 кВ, а переменное выдерживаемое напряжение (60 Гц/мин) составляет 40 кВ.

Испытания изоляции предписывают, что испытание приложенного напряжения не требуется, но должно быть проведено испытание индуцированного напряжения. Во время испытания, после приложения напряжения к выводу одной обмотки, напряжение каждого высоковольтного вывода до земли достигает 1 кВ плюс 3,46 раза номинальное напряжение обмотки трансформатора. То есть, при индуктивном испытании (удвоенное по частоте и напряжению испытание), высокое напряжение:

2.1 Низковольтная сторона (240/120 В)

• Базовый уровень импульсного напряжения (BIL): 30 кВ

• Переменное выдерживаемое напряжение (60 Гц/мин): 10 кВ

2.2 Согласно Китайским национальным правилам контроля качества и испытаний трансформаторов

• Высоковольтная сторона:

• Базовый уровень импульсного напряжения (BIL): 125 кВ (полная волна), 140 кВ (обрезанная волна)

• Переменное индуцированное выдерживаемое напряжение (200 Гц/мин): 40 кВ

• Низковольтная сторона:

• Приложенное напряжение (50 Гц/мин): 4 кВ

3. Конструкция и особенности однофазных распределительных трансформаторов на 20 кВ

Были изготовлены прототипы двух спецификаций (50 кВ·А и 80 кВ·А), оба с внешней железной конструкцией. Для уменьшения основной изоляции добавлена конструкция концевой изоляции. Используется одиночный ввод. Конец высоковольтной обмотки заземлен и подключен к баку. Низковольтная обмотка имеет одиночную обмоточную структуру.

3.1 Сравнение технических характеристик между прототипами однофазных распределительных трансформаторов на 20 кВ и 10 кВ

• Сравнение потерь между 20 кВ и 10 кВ (на примере 50 кВ·А и 80 кВ·А) показано в таблице 1.

• Сравнение веса между 20 кВ и 10 кВ (на примере 50 кВ·А и 80 кВ·А) показано в таблице 2.

4. Однофазный двухнапряженный распределительный трансформатор 20 кВ∥10 кВ

Обновление системы распределения на 10 кВ до системы на 20 кВ включает замену ключевого оборудования, такого как распределительные трансформаторы. Высокие затраты на замену и перебои в энергоснабжении, приводящие к прерыванию производства, делают проектирование однофазного двухнапряженного (10 кВ/20 кВ) трансформатора решением, облегчающим эти проблемы.

4.1 Проектирование

На основе однофазного распределительного трансформатора с сердечником, этот двухнапряженный вариант использует отношение 20 кВ = 2×10 кВ, применяя последовательно-параллельные первичные обмотки. С двумя параллельными высоковольтными обмотками, две колонны сердечника получают высоковольтные/низковольтные обмотки (высоковольтные обмотки параллельно). Две низковольтные обмотки последовательно в "середине" выходят ±220 В - земля для двух пользователей. Пусть W₁ (число витков высокого напряжения) и W₂ (число витков низкого напряжения). Параллельно, U₁/U₂ = W₁/W₂ = 10 кВ/220 В, и общий ток высокого напряжения удваивается относительно одного катушки. Последовательно, входной ток высокого напряжения равен току катушки.

4.2 Применение переключения

Мощность остается постоянной для высоковольтных входов 20 кВ или 10 кВ. При входе 20 кВ, две высоковольтные обмотки последовательно означают, что каждая принимает 10 кВ. С током высокого напряжения I₁, мощность S₁ = I₁×20 = 20I₁ (кВ·А). При переключении на 10 кВ, параллельные высоковольтные обмотки дают входной ток 2I₁, поэтому S₁ = 2I₁×10 = 20I₁ (кВ·А). Таким образом, S₁ = S₂.

4.3 Конструкция

• Конструкция соответствует однофазному трансформатору с сердечником (патент № 4612429).

• Переключение напряжения 10 кВ/20 кВ осуществляется надежным контактным ползунковым переключателем.

• Изоляция соответствует стандартам МЭК для трансформаторов на 20 кВ (номинальное импульсное напряжение: 125 кВ).

• Шум соответствует стандартам МЭК и техническим спецификациям соответствующих энергетических компаний.

4.4 Преимущества однофазного двухнапряженного трансформатора

• Экономия энергии: Потери в линии в системе распределения на 20 кВ составляют 25% от потерь в системе на 10 кВ, что обеспечивает экономию энергии на 75%. Использование технологии однофазного сердечника в этом дизайне позволяет снизить холостые потери трансформатора на 30% по сравнению с текущими трансформаторами типа S11.

• Экономия строительных затрат: При переходе с 10 кВ на 20 кВ требуется только переключатель для изменения напряжения. Это сокращает время отключения электроэнергии, и весь процесс операции можно завершить всего за несколько минут.

5. Заключение

• Большинство нейтральных точек системы на 20 кВ заземлены через систему с малым сопротивлением. Поэтому основную изоляцию однофазных трансформаторов на уровне 20 кВ легче обрабатывать по сравнению с уровнем 10 кВ.

• Потери нагрузки однофазных трансформаторов класса 20 кВ находятся на том же уровне, что и у однофазных трансформаторов класса 10 кВ; их вес также находится на сопоставимом уровне. В отношении холостых потерь, 20 кВ ниже, чем 10 кВ. Что касается сопротивления, то однофазный трансформатор на 20 кВ на 20% выше, чем на 10 кВ.

• Однофазный трансформатор на 20 кВ относительно экономичен. Его цена не будет значительно отличаться от цены однофазных трансформаторов класса 10 кВ.

• Однофазный двухнапряженный распределительный трансформатор 20 кВ∥10 кВ может использоваться как в системах распределения на 10 кВ, так и на 20 кВ. При обновлении системы на 10 кВ до системы на 20 кВ нет необходимости заменять трансформатор; достаточно просто переключить переключатель. Это относительно экономичный и удобный метод.