Diskuse o návrhu transformátorů s nízkou nulovou sekvencí impedance

S rozšiřováním měřítka elektrických systémů a kabelizací městských elektrických sítí se kapacitní proud v elektrických sítích 6kV/10kV/35kV značně zvýšil (obvykle přesahuje 10A). Vzhledem k tomu, že elektrické sítě tohoto napěťového stupně obvykle používají nezemlenou operaci a distribuční strana hlavních transformátorů je obvykle v trojúhelníkovém spojení, chybí přirozený zemlovod. Během zemních poruch tedy oblouk nelze spolehlivě uhasit, což vyžaduje zavedení zemlovodných transformátorů. Z-typ zemlovodného transformátoru se stal mainstreamem díky své malé nulové sekvence impedance, ale některé systémy vyžadují nižší nulovou sekvenci impedance. Čím menší je hodnota impedance, tím větší je odchylka, což vyžaduje cílená opatření v návrhu transformátorů s nízkou nulovou sekvencí impedance.

1. Metoda výpočtu nulové sekvence impedance pro Z-typ zemlovodného transformátoru
1.1 Topologická struktura

Vysokonapěťové cíve zemlovodného transformátoru Z-typu používají čepelové spojení. Každá fázová cívka je rozdělena na horní a dolní polocívku (viz obrázek 1), které jsou zavíjeny na různých sloupcích jádra. Dvě polocívky stejné fáze jsou sériově propojeny s opačnou polaritou, čímž vzniká speciální magnetoelektrická spojení struktura.

Nulová sekvence impedance se vypočítává podle rovnice (1).

V rovnici, X0 je nulová sekvence impedance, W je počet závitů jedné cívky (tj. polocívky), ΣaR je ekvivalentní úniková magnetická plocha, ρ je Lorenzův koeficient, a H je reaktanční výška cívky.

2 Analýza odchylek nulové sekvence impedance

Podle standardu IEC 60076 - 1 se odchylka nulové sekvence impedance zemlovodného transformátoru považuje za kvalifikovanou, pokud je v rozmezí ±10%. Na základě analýzy výsledků zkoušek stovek zemlovodných transformátorů (včetně olejovitých a suchých typů) vyrobených společností v posledních letech a srovnání rozdílů mezi skutečnými měřenými hodnotami a návrhovými hodnotami nulové sekvence impedance lze rozdíly zhruba rozdělit do následujících tří kategorií:

• Měřená hodnota je blízká návrhové hodnotě: Rozdíl je v rozsahu odchylky. Tento typ představuje největší podíl a většina produktů je kvalifikovaná.

• Měřená hodnota je menší než návrhová hodnota: Odchylka přesahuje danou hodnotu. Nicméně, protože uživatelé obvykle specifikují pouze horní hranici impedance a neexistuje žádná požadavek na dolní hranici, stále je kvalifikovaná, ale výskytový podíl je velmi malý.

• Měřená hodnota je větší než návrhová hodnota: Závažně přesahuje požadavky zákazníka a je označena jako nekvalifikovaná. Stejně tak je to velmi vzácná situace.

Vzhledem k různým požadavkům uživatelů na nulovou sekvenci impedance existují různé typy zemlovodných transformátorů. Mezi nimi má 35kV třída nejvyšší podíl, následovaná 10kV třídou. Obecně se pro 35kV třídu zemlovodného transformátoru požaduje nulová sekvence impedance ≤ 120Ω; pro 10kV třídu se obvykle požaduje ≤ 15Ω. Někteří uživatelé mají menší požadavky, někteří neuvádějí jasné požadavky.

3 Analýza dat

Komplexní zohlednění výsledků zkoušek více zemlovodných transformátorů ukazuje, že hlavní příčinou velké odchylky nulové sekvence impedance je, že hodnota požadovaná uživatelem příliš odchází od běžné hodnoty impedance. Jak příliš velké, tak i příliš malé hodnoty přinášejí velké výzvy pro výrobu a výrobu. Je vidět z rovnice (1), že nulová sekvence impedance má kvadratický vztah k počtu závitů, což je nejdůležitější faktor ovlivňující nulovou sekvenci impedance: čím více závitů, tím větší množství drátu; čím méně závitů, tím větší množství jádra. Ať už je nulová sekvence impedance příliš velká, nebo příliš malá, značně zvyšuje náklady výroby.

3.1 Analýza případu

Pro analýzu vezměme dva dávkové malé kapacity 10kV zemlovodné transformátory:

• Olejovitý zemlovodný transformátor: Model DKS11 - 125/10.5, bez sekundární cívky. Uživatel požaduje nulovou sekvenci impedance < 4&Omega;. Podle předchozí metody výpočtu, po zohlednění výrobní odchylky a rezervování rezervy, byla návrhová hodnota nastavena na 2.2&Omega;. Nicméně, při stejném výrobním procesu, výsledek měření závažně přesahuje standard, je 3.5krát větší než návrhová hodnota; pro první dávku 7 produktů, nulová sekvence impedance byla ve všech případech v rozsahu 7&Omega; - 8&Omega;.

• Suchý zemlovodný transformátor: Model DKSC11 - 125/10.5, návrhová hodnota nulové sekvence impedance je 2.25&Omega;, a výsledek zkoušky hotového produktu je 6.8&Omega;, což přesahuje standard asi 3krát. Byl dodán z továrny pouze po jednání a povolení uživatele.

Při srovnání je odchylka olejovitého typu mírně větší než suchého. Důvodem je, že při návrhu velmi malé nulové sekvence impedance, počet závitů je malý, radiální rozměr cívky je malý a výška je relativně vysoká, takže nulovou sekvenci je těžké kontrolovat. Když je základní hodnota malá, špatná kontrola rozměrů snadno vedou k zvětšení odchylky; zatímco suchá cívka je lepena pryskyřicí a vnější rozměry jsou snáze kontrolovány pomocí formy, takže odchylka je relativně menší.

Skutečné výrobní data ukazují, že stávající metoda výpočtu není vhodná pro zemlovodný transformátor s nízkou nulovou sekvencí impedance. Spolu s statistickými údaji o předchozích produktech se domnívá, že by měl být zaveden korekční koeficient a různé nulové hodnoty odpovídají různým korekčním koeficientům: jak nulová hodnota roste, koeficient klesá nelineárně; když nulová hodnota dosáhne přibližně 10&Omega;, koeficient se blíží 1.0; po překročení 10&Omega; se koeficient mění málo (jsou občasné případy, kdy je méně než 1.0, a celková odchylka je nízká), a forma vyjádření je přibližně inverzní funkce v prvním kvadrantu (viz obrázek 2).

Je třeba poznamenat, že tato analýza platí pouze pro 10kV produkty. Pro produkty nad 10kV, kde není tak striktní požadavek na nízkou nulovou sekvenci impedance, dosud nebyl nalezen problém s příliš velkou odchylkou nulové sekvence impedance.

4 Řešení

Pro řešení problému s příliš vysokou měřenou nulovou sekvencí impedance u zemlovodných transformátorů s nízkou nulovou sekvencí impedance se navrhuje následující optimalizační opatření na základě shromáždění a analýzy dat:

4.1 Strategie optimalizace návrhu

Když uživatelé požadují extrémně malou nulovou sekvenci impedance, je obtížné zajistit přesnost rozměrů cívek, což snadno zvětšuje odchylky měření. Pro produkty s požadovanou nulovou sekvencí impedance <5&Omega; by měla být rezervována návrhová rezerva 2-5krát. Čím menší je hodnota impedance, tím větší rezerva je potřebná, aby byly měřené hodnoty splněny.

4.2 Kontrolní body výroby

Výrobní proces hraje rozhodující roli v zajištění přesnosti výkonu produktu:

• Kontrola přesnosti formy: Formy cívek se vyrábějí přesně podle návrhových specifikací, s jistotou, že jsou splněny toleranční rozměry.

• Správa rozměrů cívek:

• Přesně kontrolovat radiální a axiální rozměry cívek, protože tyto parametry přímo ovlivňují nulovou sekvenci impedance po určení počtu závitů. Všechny rozměry musí být v souladu s tolerancemi výkresů.

• Pro produkty s nízkou impedancí, které používají tenké emalované dráty, musí být interládní izolace položena rovnoměrně a cívky musí být pevně zavíjeny.

• Speciální procesy pro suché produkty:

• Pro lepené pryskyřicí struktury, použijte vnitřní a vnější formy k přesné kontrole průměru. Tloušťka síťového plátna položeného před zavíjením by měla být mírně menší (nikoli větší) než specifikováno.

• Axialní rozměry segmentovaných cívek jsou řízeny intersegmentní izolací. Upravte a fixujte výšku a mezery každého segmentu, abyste zabránili zhroutení během lepení.

4.3 Doporučení technické dohody

• Prioritně specifikujte nulovou sekvenci impedance &ge;5&Omega; v dohodách.

• Pokud uživatelé trvají na <5&Omega;, jasně komunikujte výrobní obtíže předem a založte konzultativní mechanismus, abyste předešli rizikům dodávky.

5 Závěr

Pro zemlovodné transformátory s nízkou nulovou sekvencí impedance existují značné odchylky mezi návrhovými hodnotami vypočtenými obecnými rovnicemi a skutečnými měřeními. Doporučuje se vyhodnotit výrobní schopnost v době objednávky, zavést korekční faktory při návrhu a rezervovat dostatečné výrobní rezervy, aby se zlepšila konzistence a spolehlivost dodávky produktu.