Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

School of Electrical Engineering and Telecommunications

Term 2, 2023

ELEC 3105 - Electrical Energy Assignment

The Great War of the Ring is behind us.

Dark Lord Sauron is no more and the One Ring has been cast into the fiery Mount Doom by Frodo Baggins.

❚The destruction of the Ring marks the end of the dark age of Sauron and the start of the Fourth Age, an age of peace, prosperity and a time for rebuilding Middle Earth.

The descendants of Durin’s Folk, the long-bearded dwarves are amongst the first to spring into action. The long abandoned Mines of Moria are now being rebuild. However, the ways of the old - fires, coal and hard manual labour are no longer sustainable. The sun, the wind, water, the very same elements that stood against the darkness are now the ones to mark the new era in dwarven industry and its electrification!!

This is, by no means, a small undertaking. The dwarves might be skilful masters of stone, metal and fire but electricity is a new domain for them. They require guidance, leadership and great resolve. The call was sent to all races around Middle Earth and this challenge has been accepted by you... (and your colleague, Bruce, who has been sent by your engineering company to assist).

●00❞ ▲✉f

Before You Begin

In order to complete your assignment, you need to receive your own set of parameters and values. To do so, go to Moodle and start the quiz named "Assignment Parameters:

https://moodle.telt.unsw.edu.au/mod/quiz/view.php?id=5746835

Part 1 [28 marks]:

Upon arrival, you dust off three old single-phase transformers, that have no parameters on them except their rated power (1 MVA) and the rated voltage at the low-voltage winding (6.6kV). You start conducting theopen-circuit and short-circuit test for the first transformer.

During your open-circuit test, you measure Ioc A at the low voltage winding and an active power of Poc kW.

1.  [1 marks] What parameters can you calculate based on the above measurements?

2.  [1 marks] How can you differentiate between the low-voltage and high-voltage windings of the trans- former if no additional information is given to you?

3.  [2 marks] Calculate the above parameters of your single-phase transformer.

4.  [2 mark] Why is it important for all three transformers to have identical or very similar parameters if they are to be used in a three-phase system?

During the short-circuit test, Bruce applies the rated voltage of the transformer across its high-voltage windings.

1.  [2 marks] Draw a diagram of the circuit in this test, including an appropriate equivalent transformer circuit and explain what went wrong in this test.

2.  [2 marks] Without any additional information, can you estimate how much current we would have measured through the transformer (you can provide a range for your answers)?  Explain how you reached this conclusion.

As the other two transformers were damaged and rusty, you eventually choose to use the new transformer that you brought with you. The nameplate of the transformer is as follows:

1.  [3 marks] Calculate the parameters of the approximate equivalent transformer circuit in Ω . Explain the steps in your calculation.

2.  [6 marks] Calculate the efficiency (in %) of the transformer at 30%, and 90% of its rated power for i) unity power factor ii) 0.7 leading power factor.

3.  [6 marks] Calculate the voltage regulation (%) of the transformer for any two of the operating conditions of the previous question.

4.  [3 marks] Draw the winding connections of the transformer clearly showing the phase and line voltages of the primary and secondary windings. What is the rated voltage of the primary and the secondary of the transformer windings?

Part 2 [26 marks]:

The transformer is used to electrify mining activities within the main mines of Mornia. Interestingly enough, the Middle Earth power system is a 50 Hz power system.

There are three main loads that are supplied by your main 33kV supply and through the transformer of Part 1 which is included in underground mining substation. These three loads are :

1.  Drilling equipment: PL1 kW at a pf 1 lagging power factor.

2.  Conveyor belts: SL2 MVA at pf2 lagging power factor.

3.  Pumps, fans and blowers: PL3 kW, QL3 kVAr.

The voltage at your loads under any operating conditions should be constant and equal to 6.6 kV. Initially, your substation operates at the very entrance of the mines directly next to the 33 kV supply substation (any impedance on the lines between the two can be ignored at this stage).

1.  [2 marks] Calculate the power factor at the load terminals when all loads are connected and operating.

2.  [3 marks] Calculate the current at the low-voltage and the high-voltage side of your transformer when all loads are connected and operating.

3.  [5 marks] Calculate the voltage at the supply side of the transformer in order for the load voltage to be equal to 6.6kV when all loads are connected and operating. What is the power factor at the high-voltage side?

Eventually your substation moves down the mines so that mining activities can begin. Your mining location is 3 km deep within the mines, at which point your transformer / substation is located 2 km from your main supply and 1 km from your mining location.

Your 33 kV feeder cables have a resistance of 0.494 Ω/km and an inductance of 0.515 mH/km.      Your 6.6 kV feeder cables have a a resistance of R6.6kV  Ω/km and an inductance of L6.6kV mH/km. If the voltage at the loads is equal to 6.6 kV and all three loads are connected:

1.  [2 marks] Draw your per-phase equivalent circuit in per-unit.

2.  [2 marks] Calculate the voltage at the low-voltage terminals of the transformer in per-unit.

6.  [4 marks] Your datasheet allows for two configurations for your modules, one with a maximum voltage of 1000V and ones for 1500V. Choose one of the two and calculate the number of panels in series and in parallel for your system.

7.  [4 marks] Draw a single line of the whole system, including the supply, mining substation, cables, PV system (and all its components) when you are mining 3 km deep in the mines.

Bonus Questions:

1.  [3 marks] In part 2, question 6 you calculated the required capacitance to achieve unity power factor. Are there other options to improve the efficiency of your system without including capacitors? Explain your answers.

2.  [4 marks] In part 3, question 6, you have the choice of 1000 V or 1500 V. Are there any advantages in choosing a higher voltage over a lower voltage? Any disadvantages to consider?

3.  [2 marks] Is ELEC3105 memeable? Have a go, class of 2023! Not power, not electrical engineering, but ELEC3105!

Extra Notes:

Mining substations for underground applications are, in fact a real thing. They are actually placed in tracks and move along the mine to supply all electrical equipment. Similar substations are also used to power drilling equipment for tunnel excavations like the new harbour metro tunnel. Transformers and everything

else has to follow very strict regulations due to the explosive nature of the locations they are being used. They look like this: