Suluhisho Mpya ya Programu kwa Transformer wa Mzunguko Mmoja katika Ujenzi Mpya wa Mtandao wa Desembi na Miijini wa Marekani

1 Changamoto za Mipango ya Mji wa Kiafya na Faide Za Teknolojia za Transfoma ya Fase Moja​

Mipango ya mji wa kiafya na mitaa ya nchi za Marekani ina changamoto muhimu: vifaa vilivyopakua vyeupe na ukosefu wa uchumi unaweza kusababisha huduma mbaya, na upatikanaji wa umeme kunaweza kuwa 7%–12%​—kuwa zaidi sana kuliko mipango ya miji (4%–6%). Zaidi ya 60% ya maeneo ya kiafya yamezidi sana sana kiwango cha 300 mita kwa radi ya kupatikana, kusababisha utata mkubwa wa umeme (upungufu wa umeme wa 15%–20%​). Transfoma za fase tatu katika maeneo yenye ukosefu wa uchumi (<2 MW/sq.mi) huchukua chini ya 30% ya ukosefu wa uchumi, kusababisha upatikanaji wa umeme mkubwa. Transfoma za ufadhili wa fase moja huwasaidia kwa:

​1.1 Sifa za Teknolojia​

• ​Serikali ya Umeme: Kutumia namba ya coil zenye kawaida na coil zenye mwisho.
• ​Mtaa wa Utengenezaji: Inatumia teknolojia ya spiral na mtaa wa step-lap joint na steel silicon iliyofungiwa, kutokomea upatikanaji wa umeme kwa 30%–40%​​ kuliko transfoma za fase tatu za aina ya S9.
• ​Uwezo wa Kutumika: Uwezo wa 10–100 kVA; uzito: 1/3​ wa vifaa vya fase tatu; utaratibu wa kutengeneza pole hutokomea eneo la kutumika. Hii inaweza kusaidia kwenye upatikanaji wa umeme wa juu (10 kV) kwenye maeneo ya wanyama, kutokomea radi ya upatikanaji wa umeme wa chini kwa 80–100 mita​.

​1.2 Faide za Uwezo na Gharama​

• ​Uwezo wa Umeme: >98%​ uwezo wa kazi kati ya 30%–60% ya ukosefu wa uchumi kutokana na upungufu wa iron/corrosion losses.
• ​Upungufu wa Upatikanaji: Upatikanaji wa umeme unapungua kwa 1%–3%​​ (4–8 percentage points lower).
• ​Stabilization ya Umeme: Mabadiliko ya mwisho yanaweza kukontrolwa kwenye ​±5%​, kutoa "last half-mile" undervoltage.
• ​Gharama za Kifedha: Gharama ya kutengeneza: ​8,000​fora50kVAunitvs.​​8,000​fora50kVAunitvs.​​28,000​ kwa vifaa vya 315 kVA vya fase tatu. Muda wa kurudia gharama: 5–6 miaka​ (kutengeneza tena) au 2–3 miaka​ (maelezo mapya).

​2 Ubunifu wa Teknolojia na Utengenezaji​

​2.1 Mtaa wa Utengenezaji na Uwezo wa Umeme​

• ​Utengenezaji wa Winding: Mfano wa winding wa chini-kwa-juu-chini unaweza kuongeza uwezo wa kutumia kwa wingi (>25 kA) na ustawi wa joto.
• ​Nyumba za Kutambulisha:
• Tatu tap low-voltage: Tap ya mid-winding grounding kwa output ya dual-phase 220V.
• Nne tap low-voltage: Windings za independent dual (ratio 10kV/220V) kwa upatikanaji wa flexible.
• ​Usalama wa Kutambulisha: UL-certified; insulation class: 34.5 kV​ (150 kV BIL); self-resetting pressure relief valves and lightning protection.

Meza 1: Sifa za Teknolojia za Transfoma ya Fase Moja

​2.2 Vifaa Vinavyozingatia na Teknolojia Smart​

• ​Vifaa vya Mtaa:
• CRGO Steel: Gharama chache; upatikanaji wa umeme wa chini ≈ 0.5 W/kg​.
• Amorphous Metal (AMDT): 70% chini​ upatikanaji wa umeme wa chini (0.1 W/kg); ni vizuri kwa loads volatile.
• ​Smart Integration:
• Kutambua mapema voltage/current/harmonics.
• Kutambua majukumu ya insulation aging.
• Reactive compensation automatic (power factor ​>0.95).
• Fault locators kutokomea muda wa recovery (mfano, kutoka 2.3 saa hadi 27 dakika).

​3 Mbinu za Kutumika na Vyanzo​

​3.1 Maeneo Ya Matumizi​

• Maeneo yenye ukosefu wa uchumi: ukosefu wa watu ​<500/sq.mi; ukosefu wa uchumi ​<1 MW/sq.mi.
• Mazingira ya mstari (mfano, maeneo ya roadside).
• Matatizo ya umeme wa mwisho (<110V).
• Maeneo yenye furaha kwa kujifunza (kukurudi kwa matumizi ya umeme wa chini).

​3.2 Mbinu Hybrid Single/Three-Phase Grid Architecture​

• ​Topology: 10 kV backbone (three-phase, ungrounded neutral) supplies single-phase transformers via two phase lines (e.g., AB-phase).
• ​Phase Balancing: Rotational phase connection (AB→BC→CA) to limit imbalance ​<15%​.
• ​Capacity Ratio: Single-phase units comprise 40%–60%​​ of total capacity.

Meza 2: Configuration by Scenario

​3.3 Optimization ya Kutengeneza​

• ​Pole Standards: 12 m/15 m concrete poles (load capacity ​≥2 tons).
• ​Location Planning: GIS-based "golden center point" analysis for minimal line loss.
• ​Insulation: 15 kV cross-linked polyethylene conductors (95 kV lightning tolerance).

​Case Study: Lancaster County, PA deployed 127 single-phase units​ (avg. radius: 82 m), reducing losses from 8.7% to 3.1%​​ and saving 1.2 GWh/year​.

​4 Case Studies and Benefits​

​4.1 Project Analysis​

• ​Iowa Grinnell Rural Retrofit:
• Replaced 4×315 kVA​ three-phase units with 31×50 kVA​ single-phase transformers.
• Results: Voltage stabilized at 117–122V; losses dropped to 2.3%​; annual savings: 389,000 kWh; payback: 5.2 years.
• ​Arizona Suburban Expansion:
• Hybrid design (1×167 kVA​ three-phase + 8×25 kVA​ single-phase) saved 18%​​ upfront cost (154Kvs.154K vs. 154Kvs.188K) and reduced losses by 5,800 kWh/year.

​4.2 Quantified Benefits​

​Economic & Environmental Impact:

• ​Lower CAPEX: 20–40% savings vs. three-phase solutions.
• ​Annual Savings: ​$85–120/kVA​ from reduced losses.
• ​CO₂ Reduction: 8.5 tons/year​ per 1% loss reduction (coal-dependent regions).