Diskussion om designet af trafoer med lav nulrækkeimpedans til jordforbindelse

Med udvidelsen af strømsystemets skala og kabelforbindelsesprocessen i bystrømnet, har kapacitivstrømmen i 6kV/10kV/35kV strømnet betydeligt øget (generelt over 10A). Da strømnet på dette spændingsniveau mest anvender en neutral ubunden driftsform, og fordelingsvoltage siden af hovedtransformatorer normalt er i deltaforbindelse uden et naturligt jordningspunkt, kan bue under jordfejl ikke pålideligt slukkes, hvilket gør det nødvendigt at indføre jordnings-transformatorer. Z-type jordnings-transformatorer har blevet mainstream pga. deres lille nul-sekvens impedans, men nogle systemer kræver lavere nul-sekvens impedans. Jo mindre impedans-værdien, jo større afvigelsen, hvilket kræver målrettede foranstaltninger i designet af lave nul-sekvens impedans jordnings-transformatorer.

1. Beregningsmetode for nul-sekvens impedans for Z-type jordnings-transformator
1.1 Topologisk struktur

Højspændingsvindingen i Z-type jordnings-transformator anvender en zigzagforbindelse. Hver fasevinding opdeles i øvre og nedre halvvindinger (som vist på figur 1), som hver især vindes på forskellige jernkernekolonner. De to halvvindinger af samme fase forbinder i serie med modsat pol, danner en speciel magnetoelektrisk koblingsstruktur.

Nul-sekvens impedansen beregnes som vist i ligning (1).

I formlen er X0 nul - sekvens impedans, W antallet af vindingers omgang (dvs. en halv - vinding), ΣaR er den ekvivalente leckage magnetområde, ρ er Lorenz koefficient, og H er vindingens reaktansthøjde.

2 Analyse af nul - sekvens impedans afvigelse

Ifølge IEC 60076 - 1 standard, anses nul - sekvens impedans afvigelsen for en jordnings-transformator for godkendt, hvis den ligger inden for ±10%. Gennem analyse af testresultaterne for hundredvis af jordnings-transformatorer (herunder olie-dæmpede og tørrtype) produceret af virksomheden i de sidste år, og ved sammenligning af forskellene mellem de faktiske målte værdier og designværdierne for nul - sekvens impedans, kan forskellene groft deles ind i følgende tre kategorier:

• Det målte værdi nærmer sig designværdien: Forskellen ligger inden for afvigelsesintervallet. Denne type udgør den største andel, og de fleste produkter er godkendte.

• Det målte værdi er mindre end designværdien: Afvigelsen overstiger den givne værdi. Dog da brugere normalt kun specificerer det øvre grænse for impedansen og ingen nedre grænsekrav, er det stadig godkendt, men forekomsten er yderst sjælden.

• Det målte værdi er større end designværdien: Det overskrider alvorligt kundens krav og bliver bedømt som ugodkendt. Ligeledes er det også en meget sjælden situation.

På grund af de forskellige krav til nul - sekvens impedans fra forskellige brugere, findes der flere typer jordnings-transformatorer. Heraf har 35kV klassen den højeste andel, fulgt af 10kV klassen. Generelt for 35kV klassens jordnings-transformatorer, kræves nul - sekvens impedans oftest at være ≤ 120Ω; for 10kV klassen, er det typisk krævet at være ≤ 15Ω. Nogle brugere har mindre krav, og nogle specificerer ikke klart krav.

3 Dataanalyse

Sammenlagt betragtet testresultaterne for flere jordnings-transformatorer, ligger roden til den store afvigelse i nul - sekvens impedans i, at værdien, som brugeren kræver, afviger for meget fra den konventionelle impedansværdi. Både for store og for små værdier vil dette bringe store udfordringer i produktion og fremstilling. Det kan ses fra formel (1) at nul - sekvens impedansen har en kvadratisk relation til antallet af vindinger, som er den mest kritiske faktor, der påvirker nul - sekvens impedans: jo flere vindinger, jo mere ledning bruges; jo færre vindinger, jo mere stålkerne anvendes. Uanset om nul - sekvens impedansen er for stor eller for lille, vil det betydeligt øge produktionsomkostningerne.

3.1 Saganalyse

Tag to partier af små kapacitet 10kV jordnings-transformatorer som eksempler for analyse:

• Olie-dæmpet jordnings-transformator: Model DKS11 - 125/10.5, uden sekundær vinding. Brugeren kræver, at nul - sekvens impedansen skal være < 4&Omega;. Efter at have taget højde for produktionssvig og reserveret en margen, sættes designværdien til 2.2&Omega; ifølge den tidligere beregningsmetode. Men under samme produktionssproces, overskrider testmålingen alvorligt standarden, det er 3.5 gange designværdien; for det første parti af 7 produkter, ligger nul - sekvens impedansen alle i intervallet 7&Omega; - 8&Omega;.

• Tørtypes jordnings-transformator: Model DKSC11 - 125/10.5, designværdien for nul - sekvens impedans er 2.25&Omega;, og testresultatet for færdigproduktet er 6.8&Omega;, hvilket overstiger standarden med cirka 3 gange. Det sendes kun ud fra fabrikken efter forhandling og tilladelse fra brugeren.

Ved sammenligning, er afvigelsen for olie-dæmpet type let større end for tørrtype. Årsagen er, når man designer for en meget lav nul - sekvens impedans, er antallet af vindinger få, radial dimensionen af vindingen er lille, og højden er relativt høj, så nul - sekvens værdien er svær at kontrollere. Når basisværdien er lille, let fører dårlig kontrol over størrelsen til forstørrelse af afvigelsen; mens tørrtype vinding er formet med resin, og den ydre dimension er lettere at kontrollere med hjælp fra en form, så afvigelsen er relativt mindre.

De faktiske produktionsdata viser, at den eksisterende beregningsmetode er ikke anvendelig for jordnings-transformator med lav nul - sekvens impedans. Sammenlagt med statistikdata fra tidligere produkter, formodes, at en korrektionskoefficient bør introduceres, og forskellige nul - sekvens værdier svarer til forskellige korrektionskoefficienter: som nul - sekvens værdien stiger, koefficienten falder ikke-lineært; når nul - sekvens værdien når omtrent 10&Omega;, nærmer koefficienten sig 1.0; efter at overstige 10&Omega;, påvirkes koefficienten lidt (der er nogle sjældne tilfælde, hvor det er mindre end 1.0, og den samlede afvigelse er lav), og udtryksformen er ca. en omvendt proportional funktion i det første kvadrant (se figur 2).

Det bør bemærkes, at ovenstående analyse er kun anvendelig for 10kV produkter. For produkter over 10kV, da der ikke er så strenge krav om lav nul - sekvens impedans, er der endnu ikke fundet fænomenet med overdreven nul - sekvens impedans afvigelse.

4 Løsninger

For at løse problemet med overdreven målt nul - sekvens impedans i lave nul - sekvens impedans jordnings-transformatorer, foreslås følgende optimeringsforanstaltninger baseret på dataindsamling og analyse:

4.1 Designoptimeringsstrategi

Når brugere kræver en ekstremt lav nul - sekvens impedansværdi, er præcisionen af vindingdimensioner vanskelig at sikre, let forstørrer måleafvigelsen. For produkter med en krævet nul - sekvens impedans <5&Omega;, bør en designmargin på 2-5 gange reserveres. Jo mindre impedansværdien, jo større margin behøves for at sikre, at målte værdier opfylder kravene.

4.2 Produktionkontrolpunkter

Produktionsprocessen spiller en afgørende rolle for at sikre produktets præcise ydeevne:

• Formpræcisionkontrol: Fremstil vindingformer strengt i overensstemmelse med designspecifikationer, sikre, at tolerancer overholdes.

• Vindingdimensionadministration:

• Præcis kontroller radiale og aksielle dimensioner af vindinger, da disse parametre direkte påvirker nul - sekvens impedans, når antallet af vindinger er fastsat. Alle dimensioner skal overholde tegningstolerancer.

• For lavimpedansprodukter, der anvender smalle emaltered tråde, skal laget mellemlagbelægning lægges fladt, og vindinger skal være stramt vendt.

• Specielle processer for tørtypes produkter:

• For formet-resin strukturer, anvend interne og eksterne former for at præcist kontrollere diameterdimensioner. Tykkelsen af netstof, der lægges før vinding, bør være en anelse mindre (ikke større) end angivet.

• Aksielle dimensioner af segmenterede vindinger kontrolleres af mellemsegment isolering. Juster og fastgør højden og afstanden mellem hvert segment for at undgå sammenbrud under formning.

4.3 Teknisk aftaleanbefalinger

• Prioriter angivelse af en nul - sekvens impedans &ge;5&Omega; i aftaler.

• Hvis brugere insistere på <5&Omega;, kommuniker klart produktionssvigt på forhånd og etabler en konsultationsmekanisme for at undgå leveringsrisici.

5 Konklusion

For lave nul - sekvens impedans jordnings-transformatorer, findes der betydelige afvigelse mellem designværdierne, der beregnes af generelle formler, og faktiske målinger. Det anbefales at evaluere produktionsevne ved bestillingsfasen, indføre korrektionsfaktorer under design, og reservere tilstrækkelige produktionsmarginer for at forbedre produktkonsekvens og leveringspålidelighed.