مناقشة حول تصميم محولات التأريض ذات المعاوقة الصفرية المنخفضة

مع توسع نظام الطاقة وعملية كابلة الشبكات الحضرية، ازدادت التيار السعوي في شبكات الطاقة بـ 6 كيلوفولت/10 كيلوفولت/35 كيلوفولت بشكل كبير (عادة ما يتجاوز 10 أمبير). نظرًا لأن شبكات الطاقة عند هذا المستوى من الجهد تستخدم بشكل أساسي طريقة التشغيل غير المتماسكة للأرض، ويكون الجانب الموزع للجهد الرئيسي للمحولات عادة متصلاً بالطريقة المثلثية، مما يفتقر إلى نقطة أرض طبيعية، لا يمكن إطفاء القوس أثناء الأعطال الأرضية بشكل موثوق به، مما يتطلب تقديم محولات الأرض. أصبحت محولات الأرض من نوع Z شائعة بسبب انخفاض المعاوقة الصفرية لديها، ولكن بعض الأنظمة تتطلب معاوقة صفرية أقل. كلما كان قيمة المعاوقة أصغر، كان الانحراف أكبر، مما يتطلب اتخاذ تدابير مستهدفة في تصميم محولات الأرض ذات المعاوقة الصفرية المنخفضة.

1. طريقة حساب المعاوقة الصفرية لمحول الأرض من نوع Z
1.1 الهيكل الطوبولوجي

تستخدم ملفات الجهد العالي في محول الأرض من نوع Z الاتصال المتعرج. يتم تقسيم ملف كل مرحلة إلى نصف ملف علوي ونصف ملف سفلي (كما هو موضح في الشكل 1)، والتي يتم تلفيفها على أعمدة الحديد المختلفة. يتم توصيل النصفين من ملفات نفس المرحلة بشكل متسلسل مع قطب عكسي، مما يشكل بنية تشابك مغناطيسي-كهربائي خاصة.

يتم حساب المعاوقة الصفرية كما هو موضح في المعادلة (1).

في الصيغة، X0 هي المعاوقة الصفرية، W هي عدد دورات ملف واحد (أي نصف ملف)، ΣaR هي المنطقة المكافئة للتسرب المغناطيسي، و ρ هو معامل لورنتز، و H هو ارتفاع الترددي لملف.

2 تحليل انحراف المعاوقة الصفرية

وفقًا للمعيار IEC 60076 - 1، يعتبر انحراف المعاوقة الصفرية لمحول الأرض مؤهلاً إذا كان ضمن نطاق ±10٪. من خلال تحليل نتائج الاختبار لمئات محولات الأرض (بما في ذلك النوع المغمور بالنفط والجاف) التي أنتجتها الشركة في السنوات الأخيرة، ومن خلال مقارنة الفروق بين القيم المقاسة والقيم المصممة للمعاوقة الصفرية، يمكن تقسيم هذه الفروق إلى ثلاث فئات رئيسية:

• القيمة المقاسة قريبة من القيمة المصممة: الفرق ضمن نطاق الانحراف. هذا النوع يمثل النسبة الأكبر، ومعظم المنتجات مؤهلة.

• القيمة المقاسة أصغر من القيمة المصممة: الانحراف يتجاوز القيمة المعطاة. ومع ذلك، بما أن المستخدمين عادة ما يحددون فقط الحد الأعلى للمقاومة ولا يوجد متطلبات للحد الأدنى، فإنها لا تزال مؤهلة، ولكن نسبة حدوثها صغيرة جدًا.

• القيمة المقاسة أكبر من القيمة المصممة: تتجاوز بشكل خطير متطلبات العملاء وتُعتبر غير مؤهلة. وبالمثل، فإن هذه حالة نادرة جدًا.

نظرًا للمتطلبات المختلفة للمعاوقة الصفرية من قبل المستخدمين المختلفين، هناك أنواع مختلفة من محولات الأرض. من بينها، الفئة 35 كيلوفولت لها النسبة الأكبر، تليها الفئة 10 كيلوفولت. عموما، بالنسبة لمحولات الأرض من الفئة 35 كيلوفولت، غالبا ما يتم طلب المعاوقة الصفرية لتكون ≤ 120Ω; أما بالنسبة للفئة 10 كيلوفولت، عادة ما يتم طلب المعاوقة الصفرية لتكون ≤ 15Ω. بعض المستخدمين لديهم متطلبات أصغر، وبعضهم لا يحدد متطلبات واضحة.

3 تحليل البيانات

بالنظر إلى نتائج اختبار العديد من محولات الأرض، فإن السبب الجذري لانحراف المعاوقة الصفرية الكبير يكمن في أن القيمة المطلوبة من قبل المستخدم تختلف كثيرا عن قيمة المعاوقة التقليدية. سواء كانت القيمة كبيرة جدا أو صغيرة جدا، فإنها ستجلب تحديات كبيرة لإنتاج وتصنيع المحولات. يمكن رؤية ذلك من المعادلة (1) حيث تكون العلاقة بين المعاوقة الصفرية وعدة الدورات تربيعية، وهي العامل الأكثر أهمية المؤثر على المعاوقة الصفرية: كلما زاد عدد الدورات، زادت كمية الأسلاك المستخدمة؛ وكلما قل عدد الدورات، زادت كمية اللب المستخدمة. سواء كانت المعاوقة الصفرية كبيرة جدا أو صغيرة جدا، فإنها ستزيد بشكل كبير من تكلفة الإنتاج.

3.1 تحليل الحالات

لنأخذ كمثالين دفعتين من محولات الأرض ذات السعة الصغيرة بـ 10 كيلوفولت للتحليل:

• محول الأرض المغمور بالنفط: النموذج DKS11 - 125/10.5، بدون ملف ثانوي. يطلب المستخدم أن تكون المعاوقة الصفرية < 4&Omega;. وفقًا لطريقة الحساب السابقة، وبعد الأخذ بعين الاعتبار الانحرافات في التصنيع وترك هامش، تم وضع القيمة المصممة عند 2.2&Omega;. ومع ذلك، تحت نفس عملية الإنتاج، جاءت نتيجة القياس اختبارًا تجاوزت المعيار بشكل كبير، وكانت 3.5 مرة قيمة التصميم؛ بالنسبة للدفعة الأولى من 7 منتجات، كانت المعاوقة الصفرية في نطاق 7&Omega; - 8&Omega;.

• محول الأرض الجاف: النموذج DKSC11 - 125/10.5، القيمة المصممة للمعاوقة الصفرية هي 2.25&Omega;، وكان نتيجة اختبار المنتج النهائي 6.8&Omega;، تجاوزت المعيار بأكثر من 3 مرات. تم شحنها من المصنع بعد التفاوض والحصول على إذن من المستخدم.

من خلال المقارنة، يكون الانحراف في النوع المغمور بالنفط أكبر قليلاً من النوع الجاف. السبب هو أنه عند تصميم المعاوقة الصفرية الصغيرة جدًا، يكون عدد الدورات صغيرًا، وحجم الملف شعاعيًا صغيرًا، والارتفاع نسبيًا عاليًا، بحيث يكون من الصعب السيطرة على قيمة الصفر. عندما تكون القيمة الأساسية صغيرة، يمكن أن يؤدي السيطرة السيئة على الأبعاد بسهولة إلى زيادة الانحراف؛ بينما يتم صب ملفات النوع الجاف بالراتنج، ويكون من الأسهل السيطرة على الأبعاد الخارجية بمساعدة القوالب، وبالتالي يكون الانحراف أصغر نسبيًا.

تشير البيانات الإنتاجية الفعلية إلى أن طريقة الحساب الحالية ليست مناسبة لمحولات الأرض ذات المعاوقة الصفرية المنخفضة. وبالجمع مع بيانات إحصائية للمنتجات السابقة، يمكن استنتاج أن يجب تقديم معامل تصحيح، وأن القيم الصفرية المختلفة تتوافق مع معاملات تصحيح مختلفة: كلما زادت قيمة الصفر، قل المعامل بشكل غير خطي؛ عندما تصل قيمة الصفر إلى حوالي 10&Omega;، يقترب المعامل من 1.0؛ بعد تجاوز 10&Omega;، يتأثر المعامل بالاختلافات الطفيفة في عملية الإنتاج، ويظل ثابتًا تقريبًا (هناك حالات نادرة يكون فيها أقل من 1.0، والانحراف الكلي ضئيل)، ويعبر عنه بشكل تقريبي كدالة تناسبية عكسية في الربع الأول (انظر الشكل 2).

يجب ملاحظة أن هذا التحليل ينطبق فقط على المنتجات 10 كيلوفولت. بالنسبة للمنتجات فوق 10 كيلوفولت، حيث لا يوجد مثل هذه المتطلبات الصارمة للمعاوقة الصفرية المنخفضة، لم يتم العثور حتى الآن على ظاهرة الانحراف الزائد للمعاوقة الصفرية.

4 الحلول

لمعالجة مشكلة القيمة المقاسة المرتفعة للمعاوقة الصفرية في محولات الأرض ذات المعاوقة الصفرية المنخفضة، يتم اقتراح التدابير التحسينية التالية بناءً على جمع البيانات والتحليل:

4.1 استراتيجية التحسين في التصميم

عندما يطلب المستخدمون قيمة معاوقة صفرية صغيرة جدًا، يكون من الصعب ضمان الدقة البعدية للملفات، مما يسهل زيادة الانحرافات في القياس. بالنسبة للمنتجات التي تتطلب معاوقة صفرية <5&Omega;، يجب ترك هامش تصميم 2-5 مرات. كلما كانت قيمة المقاومة أصغر، كان الحاجة إلى هامش أكبر لضمان تلبية القيم المقاسة للمتطلبات.

4.2 نقاط السيطرة في التصنيع

يلعب العملية الإنتاجية دورًا حاسمًا في ضمان دقة أداء المنتج:

• التحكم بدقة القوالب: تصنيع قوالب ملفات وفقًا للمواصفات التصميمية بدقة، مع ضمان التسامح البُعدي.

• إدارة أبعاد الملفات:

• التحكم الدقيق في الأبعاد الشعاعية والمحورية للملفات، حيث تؤثر هذه المعلمات مباشرة على المعاوقة الصفرية بعد تحديد عدد الدورات. يجب أن تتوافق جميع الأبعاد مع التسامحات المحددة في الرسومات.

• بالنسبة للمنتجات ذات المقاومة المنخفضة باستخدام أسلاك مغلفة صغيرة، يجب وضع العزل بين الطبقات بشكل مستوٍ، ويجب أن تكون الملفات مشدودة بإحكام.

• عمليات خاصة للمنتجات الجافة:

• للبنى المصبوبة بالراتنج، استخدم القوالب الداخلية والخارجية للتحكم بدقة في أبعاد القطر. يجب أن يكون سمك الشاش المثبت قبل التلفيف أقل قليلاً (وليس أكبر) مما هو محدد.

• يتم التحكم في الأبعاد المحورية للملفات المجزأة بواسطة العزل بين القطع. قم بضبط وإصلاح ارتفاع وتباعد كل قطعة لمنع الانهيار أثناء الصب.

4.3 توصيات الاتفاق الفني

• أعطِ الأولوية لتحديد المعاوقة الصفرية &ge;5&Omega; في الاتفاقات.

• إذا أصر المستخدمون على <5&Omega;، فقم بالتواصل المسبق بشأن صعوبات التصنيع وقم بإنشاء آلية استشارية لتجنب مخاطر التسليم.

5 الخلاصة

بالنسبة لمحولات الأرض ذات المعاوقة الصفرية المنخفضة، توجد انحرافات كبيرة بين القيم المصممة المحسوبة بواسطة الصيغ العامة والقيم الفعلية المقاسة. يُنصح بتقييم قابلية التصنيع في مرحلة الطلبات، وتقديم عوامل تصحيح أثناء التصميم، وترك هامش إنتاج كافٍ لتعزيز التناسق والموثوقية في التسليم.