Discussió sobre el Disseny de Transformadors de Terra d'Impedància Zero-Secuencial Baixa

Amb l'expansió de l'escala del sistema elèctric i el procés de cablejat de les xarxes elèctriques urbanes, la corrent capacitiva en les xarxes elèctriques de 6kV/10kV/35kV ha augmentat significativament (generalment superant els 10A). Com que les xarxes a aquest nivell de tensió adopten principalment un mode d'operació amb neutre no connectat, i el costat de distribució de tensió dels transformadors principals és habitualment en connexió delta, faltant un punt de terra natural, l'arc durant els defectes a terra no es pot extingir de manera fiable, necessitant l'introducció de transformadors de terra. Els transformadors de terra Z han esdevingut el mètode principal degut a la seva petita impedància seqüencial zero, però alguns sistemes requereixen una impedància seqüencial zero encara menor. Quan més petita sigui la valor de l'impedància, més gran serà la desviació, el que requereix mesures específiques en el disseny dels transformadors de terra de baixa impedància seqüencial zero.

1. Mètode de Càlcul de l'Impedància Seqüencial Zero per al Transformador de Terra Z
1.1 Estructura Topològica

L'enrotllament de alta tensió del transformador de terra Z utilitza una connexió zig-zag. Cada enrotllament de fase es divideix en dos meitenors (tal com es mostra a la Figura 1), que s'enroten en diferents columnes de nucli. Els dos meitenors de la mateixa fase són connectats en sèrie amb polaritat inversa, formant una estructura especial de couplament magnètic-elèctric.

L'impedància seqüencial zero es calcula tal com es mostra en l'equació (1).

En la fórmula, X0 és l'impedància seqüencial zero, W és el nombre de voltes d'un enrotllament (és a dir, un meitenor), ΣaR és l'àrea magnètica de fuga equivalent, ρ és el coeficient de Lorenz, i H és l'alçada reactant de l'enrotllament.

2 Anàlisi de la Desviació de l'Impedància Seqüencial Zero

Segons la norma IEC 60076 - 1, la desviació de l'impedància seqüencial zero d'un transformador de terra es considera qualificada si està dins el rang de ±10%. A través de l'anàlisi dels resultats de proves de centenars de transformadors de terra (inclosos els d'oli i els sec) produïts per l'empresa en els últims anys, i comparant les diferències entre els valors mesurats i els valors de disseny de l'impedància seqüencial zero, les diferències es poden dividir aproximadament en les següents tres categories:

• El valor mesurat és proper al valor de disseny: La diferència està dins el rang de desviació. Aquest tipus representa la major proporció, i la majoria dels productes són qualificats.

• El valor mesurat és menor que el valor de disseny: La desviació supera el valor donat. Tanmateix, ja que els usuaris solen especificar només el límit superior de l'impedància i no hi ha un requisit de límit inferior, encara es considera qualificat, però la proporció d'ocurrència és extremadament petita.

• El valor mesurat és major que el valor de disseny: Superi greument els requisits del client i es considera no qualificat. Això també és una situació molt rara.

Degut als diferents requisits d'impedància seqüencial zero pels diferents usuaris, hi ha diversos tipus de transformadors de terra. D'entre ells, la classe de 35kV té la major proporció, seguida per la classe de 10kV. Generalment, per als transformadors de terra de classe 35kV, l'impedància seqüencial zero es requereix sovint que sigui ≤ 120Ω; per a la classe de 10kV, normalment es requereix que sigui ≤ 15Ω. Alguns usuaris tenen requisits més petits, i alguns no fan cap exigència clara.

3 Anàlisi de Dades

Considerant globalment els resultats de proves de múltiples transformadors de terra, la raó fonamental de la gran desviació de l'impedància seqüencial zero resideix en que el valor requerit pel usuari es desvia massa del valor d'impedància convencional. Tant els valors massa grans com els massa petits porten grans reptes a la producció i fabricació. Es pot veure de la Fórmula (1) que l'impedància seqüencial zero té una relació quadràtica amb el nombre de voltes, que és el factor més crític que afecta l'impedància seqüencial zero: més voltes, més fil utilitzat; menys voltes, increment corresponent en la quantitat de nucli de ferro utilitzat. Tant si l'impedància seqüencial zero és massa gran com massa petita, augmentarà significativament el cost de producció.

3.1 Anàlisi de Casos

Prenguem com a exemples dos lots de transformadors de terra de 10kV de baixa capacitat per a l'anàlisi:

• Transformador de terra d'oli: Model DKS11 - 125/10.5, sense enrotllament secundari. L'usuari requereix que l'impedància seqüencial zero sigui < 4&Omega;. Segons el mètode de càlcul anterior, després de considerar la desviació de fabricació i reservar un marge, el valor de disseny es fixa a 2.2&Omega;. No obstant això, sota el mateix procés de producció, el resultat de la prova mesura greument per sobre de l'estàndard, sent 3.5 vegades el valor de disseny; per al primer lot de 7 productes, l'impedància seqüencial zero està tota dins el rang de 7&Omega; - 8&Omega;.

• Transformador de terra sec: Model DKSC11 - 125/10.5, el valor de disseny de l'impedància seqüencial zero és 2.25&Omega;, i el resultat de prova del producte final és 6.8&Omega;, superant l'estàndard en uns 3 cops. Es lliura de fàbrica només després de negociació i permís de l'usuari.

Comparant, la desviació del tipus d'oli és lleugerament més gran que la del tipus sec. La raó és que quan es dissenya per a una impedància seqüencial zero molt petita, el nombre de voltes és petit, la mida radial de l'enrotllament és petita, i l'alçada és relativament alta, per tant, el valor seqüencial zero és difícil de controlar. Quan el valor base és petit, un control deficient de la mida porta fàcilment a l'amplificació de la desviació; mentre que l'enrotllament sec està col·locat amb resina, i la mida externa és més fàcil de controlar amb l'ajuda d'un molde, per tant, la desviació és relativament menor.

Les dades de producció real mostren que el mètode de càlcul existent no és aplicable al transformador de terra amb baixa impedància seqüencial zero. Combinant amb les dades estadístiques de productes anteriors, es especula que s'hauria d'introduir un coeficient de correcció, i diferents valors seqüencials zero corresponen a diferents coeficients de correcció: com el valor seqüencial zero augmenta, el coeficient disminueix de manera no lineal; quan el valor seqüencial zero arriba a uns 10&Omega;, el coeficient s'aproxima a 1.0; després de superar 10&Omega;, afectat per les petites diferències en el procés de producció, el coeficient canvia poc (hi ha casos ocasionals on és menor que 1.0, i la desviació total és baixa), i la forma d'expressió és aproximadament una funció de proporcionalitat inversa en el primer quadrant (vegeu la Figura 2).

Cal tenir en compte que l'anàlisi anterior només és aplicable a productes de 10kV. Per a productes per sobre de 10kV, ja que no hi ha un requisit tan estrict de baixa impedància seqüencial zero, fins ara no s'ha trobat el fenomen de desviació excessiva de l'impedància seqüencial zero.

4 Solucions

Per abordar el problema de l'impedància seqüencial zero mesurada excessiva en transformadors de terra de baixa impedància seqüencial zero, es proposen les següents mesures d'optimització basades en la recopilació i anàlisi de dades:

4.1 Estratègia d'Optimització de Disseny

Quan els usuaris requereixen un valor extremadament petit d'impedància seqüencial zero, la precisió de les dimensions de l'enrotllament és difícil d'assegurar, amplificant fàcilment les desviacions de mesura. Per a productes amb una impedància seqüencial zero requerida <5&Omega;, s'ha de reservar un marge de disseny de 2-5 vegades. Quan més petit sigui el valor de l'impedància, més gran ha de ser el marge per assegurar que els valors mesurats compleixin els requisits.

4.2 Punts de Control de Fabricació

El procés de producció joca un paper decisiu en assegurar la precisió del rendiment del producte:

• Control de Precisió del Molde: Fabricar molde d'enrotllaments estrictament segons les especificacions de disseny, assegurant que s'assoleixin les toleràncies dimensionals.

• Gestió de Dimensions de l'Enrotllament:

• Controlar precisament les dimensions radials i axials de l'enrotllament, ja que aquests paràmetres afecten directament l'impedància seqüencial zero després de determinar el nombre de voltes. Totes les dimensions han de complir amb les toleràncies del dibuix.

• Per a productes de baixa impedància que utilitzen fils esmaltats de petit calibre, l'aïllament intercalari ha de ser plaçat de manera plana, i l'enrotllament ha de ser ben apretat.

• Processos Especials per a Productes Secs:

• Per a estructures de resina col·locada, utilitzar mols intern i extern per controlar precisament les dimensions de diàmetre. L'espessor de la tela de reixa col·locada abans de l'enrotllament hauria de ser lleugerament menor (no major) que el especificat.

• Les dimensions axials de l'enrotllament segmentat són controlades per l'aïllament intersegmental. Ajustar i fixar l'alçada i l'espaiat de cada segment per evitar el col·lapsament durant el col·locament.

4.3 Recomanacions d'Acords Tècnics

• Prioritzar l'especificació d'una impedància seqüencial zero &ge;5&Omega; en els acords.

• Si els usuaris insisteixen en <5&Omega;, comunicar prèviament les dificultats de fabricació i establir un mecanisme de consultes per evitar riscos de lliurament.

5 Conclusió

Per als transformadors de terra de baixa impedància seqüencial zero, existeixen desviacions significatives entre els valors de disseny calculats per fórmules generals i les mesures reals. Es recomana avaluar la fabricabilitat en la fase de comanda, introduir factors de correcció durant el disseny, i reservar marges de producció suficients per millorar la consistència del producte i la fiabilitat de lliurament.