Discusión sobre el Diseño de Transformadores de Tierra de Impedancia Cero-secuencia Baja

Con la expansión de la escala del sistema de energía y el proceso de cableado de las redes eléctricas urbanas, la corriente capacitiva en las redes de energía de 6kV/10kV/35kV ha aumentado significativamente (generalmente superando los 10A). Dado que las redes de este nivel de voltaje adoptan principalmente un modo de operación con neutro aislado, y el lado de distribución de tensión de los transformadores principales suele estar en conexión delta, careciendo de un punto de tierra natural, no se puede extinguir de manera confiable el arco durante las fallas a tierra, lo que requiere la introducción de transformadores de tierra. Los transformadores de tierra tipo Z se han convertido en la opción principal debido a su pequeña impedancia de secuencia cero, pero algunos sistemas requieren una impedancia de secuencia cero aún menor. Cuanto menor es el valor de la impedancia, mayor es la desviación, lo que requiere medidas específicas en el diseño de transformadores de tierra de baja impedancia de secuencia cero.

1. Método de Cálculo de la Impedancia de Secuencia Cero para Transformador de Tierra Tipo Z
1.1 Estructura Topológica

El devanado de alta tensión del transformador de tierra tipo Z adopta una conexión en zigzag. Cada devanado de fase se divide en dos mitades (como se muestra en la Figura 1), que se enrollan en diferentes columnas de núcleo. Las dos mitades del mismo devanado de fase se conectan en serie con polaridad inversa, formando una estructura de acoplamiento magnético y eléctrico especial.

La impedancia de secuencia cero se calcula como se muestra en la ecuación (1).

En la fórmula, X0 es la impedancia de secuencia cero, W es el número de vueltas de un devanado (es decir, una mitad de devanado), ΣaR es el área equivalente de flujo magnético de fuga, ρ es el coeficiente de Lorenz, y H es la altura de reactivancia del devanado.

2 Análisis de la Desviación de la Impedancia de Secuencia Cero

Según la norma IEC 60076 - 1, la desviación de la impedancia de secuencia cero de un transformador de tierra se considera aceptable si está dentro del rango de ±10%. A través del análisis de los resultados de pruebas de cientos de transformadores de tierra (incluyendo sumergibles y de tipo seco) producidos por la empresa en los últimos años, y comparando las diferencias entre los valores medidos y los valores de diseño de la impedancia de secuencia cero, las diferencias se pueden dividir aproximadamente en las siguientes tres categorías:

• El valor medido es cercano al valor de diseño: La diferencia está dentro del rango de desviación. Este tipo representa la proporción más grande, y la mayoría de los productos son calificados.

• El valor medido es menor que el valor de diseño: La desviación excede el valor dado. Sin embargo, ya que los usuarios generalmente solo especifican el límite superior de la impedancia y no hay un requisito de límite inferior, sigue siendo calificado, pero la proporción de ocurrencia es extremadamente pequeña.

• El valor medido es mayor que el valor de diseño: Excede seriamente los requisitos del cliente y se juzga como no calificado. De igual manera, es también una situación muy rara.

Debido a los diferentes requisitos de impedancia de secuencia cero de diferentes usuarios, existen varios tipos de transformadores de tierra. Entre ellos, la clase de 35kV tiene la proporción más alta, seguida de la clase de 10kV. Generalmente, para los transformadores de tierra de 35kV, la impedancia de secuencia cero se requiere que sea ≤ 120Ω; para la clase de 10kV, generalmente se requiere que sea ≤ 15Ω. Algunos usuarios tienen requisitos menores, y otros no hacen requerimientos claros.

3 Análisis de Datos

Considerando integralmente los resultados de pruebas de múltiples transformadores de tierra, la causa raíz de la gran desviación de la impedancia de secuencia cero radica en que el valor requerido por el usuario se desvía demasiado del valor de impedancia convencional. Tanto los valores demasiado grandes como los demasiado pequeños presentan grandes desafíos para la producción y fabricación. Se puede observar de la Fórmula (1) que la impedancia de secuencia cero tiene una relación cuadrática con el número de vueltas, lo cual es el factor más crítico que afecta la impedancia de secuencia cero: cuanto mayor sea el número de vueltas, mayor será la cantidad de alambre utilizado; cuanto menor sea el número de vueltas, mayor será la cantidad de núcleo de hierro utilizado. Ya sea que la impedancia de secuencia cero sea demasiado grande o demasiado pequeña, aumentará significativamente el costo de producción.

3.1 Análisis de Casos

Tomemos como ejemplo el análisis de dos lotes de transformadores de tierra de 10kV de pequeña capacidad:

• Transformador de tierra sumergible: Modelo DKS11 - 125/10.5, sin devanado secundario. El usuario requiere que la impedancia de secuencia cero sea < 4&Omega;. Según el método de cálculo anterior, después de considerar la desviación de fabricación y reservar un margen, el valor de diseño se establece en 2.2&Omega;. Sin embargo, bajo el mismo proceso de producción, el resultado de la medición de prueba excede seriamente el estándar, siendo 3.5 veces el valor de diseño; para el primer lote de 7 productos, la impedancia de secuencia cero está en el rango de 7&Omega; - 8&Omega;.

• Transformador de tierra de tipo seco: Modelo DKSC11 - 125/10.5, el valor de diseño de la impedancia de secuencia cero es 2.25&Omega;, y el resultado de la prueba del producto terminado es 6.8&Omega;, excediendo el estándar en aproximadamente 3 veces. Se despacha de fábrica solo después de la negociación y permiso del usuario.

Comparativamente, la desviación del tipo sumergible es ligeramente mayor que la del tipo seco. La razón es que, al diseñar para una impedancia de secuencia cero muy pequeña, el número de vueltas es pequeño, el tamaño radial del devanado es pequeño y la altura es relativamente alta, por lo que el valor de secuencia cero es difícil de controlar. Cuando el valor base es pequeño, un mal control del tamaño puede llevar fácilmente a la amplificación de la desviación; mientras que el devanado de tipo seco se vierte con resina, y la dimensión externa es más fácil de controlar con la ayuda de un molde, por lo que la desviación es relativamente menor.

Los datos de producción reales muestran que el método de cálculo existente no es aplicable a los transformadores de tierra de baja impedancia de secuencia cero. Combinado con los datos estadísticos de productos anteriores, se especula que se debe introducir un coeficiente de corrección, y diferentes valores de secuencia cero corresponden a diferentes coeficientes de corrección: a medida que el valor de secuencia cero aumenta, el coeficiente disminuye de manera no lineal; cuando el valor de secuencia cero alcanza aproximadamente 10&Omega;, el coeficiente se aproxima a 1.0; después de superar 10&Omega;, afectado por las ligeras diferencias en el proceso de producción, el coeficiente cambia poco (hay casos ocasionales donde es menor que 1.0, y la desviación total es baja), y la forma de expresión es aproximadamente una función de proporción inversa en el primer cuadrante (ver Figura 2).

Es importante señalar que el análisis anterior solo es aplicable a los productos de 10kV. Para productos superiores a 10kV, dado que no existe tal requisito estricto de baja impedancia de secuencia cero, no se ha encontrado hasta ahora el fenómeno de desviación excesiva de la impedancia de secuencia cero.

4 Soluciones

Para abordar el problema de la impedancia de secuencia cero medida excesivamente alta en los transformadores de tierra de baja impedancia de secuencia cero, se proponen las siguientes medidas de optimización basadas en la recopilación y análisis de datos:

4.1 Estrategia de Optimización del Diseño

Cuando los usuarios requieren un valor de impedancia de secuencia cero extremadamente pequeño, la precisión de las dimensiones del devanado es difícil de garantizar, lo que fácilmente amplifica las desviaciones de medición. Para productos con una impedancia de secuencia cero requerida <5&Omega;, se debe reservar un margen de diseño de 2 a 5 veces. Cuanto menor sea el valor de impedancia, mayor será el margen necesario para asegurar que los valores medidos cumplan con los requisitos.

4.2 Puntos de Control de Fabricación

El proceso de producción juega un papel decisivo en garantizar la precisión del rendimiento del producto:

• Control de Precisión del Molde: Fabricar moldes de devanado estrictamente según las especificaciones de diseño, asegurando que se cumplan las tolerancias dimensionales.

• Gestión de Dimensiones del Devanado:

• Controlar con precisión las dimensiones radiales y axiales de los devanados, ya que estos parámetros afectan directamente la impedancia de secuencia cero una vez determinado el número de vueltas. Todas las dimensiones deben cumplir con las tolerancias del dibujo.

• Para productos de baja impedancia que utilizan hilos esmaltados de calibre pequeño, el aislamiento intercapa debe colocarse plano, y los devanados deben enrollarse con firmeza.

• Procesos Especiales para Productos de Tipo Seco:

• Para estructuras de resina fundida, usar moldes internos y externos para controlar con precisión las dimensiones del diámetro. El grosor de la malla colocada antes del enrollado debe ser ligeramente menor (no mayor) que el especificado.

• Las dimensiones axiales de los devanados segmentados se controlan mediante el aislamiento intersegmento. Ajustar y fijar la altura y el espaciado de cada segmento para evitar colapsos durante el vertido.

4.3 Recomendaciones para Acuerdos Técnicos

• Priorizar la especificación de una impedancia de secuencia cero &ge;5&Omega; en los acuerdos.

• Si los usuarios insisten en <5&Omega;, comunicar claramente las dificultades de fabricación con anticipación y establecer un mecanismo de consulta para evitar riesgos de entrega.

5 Conclusión

Para los transformadores de tierra de baja impedancia de secuencia cero, existen desviaciones significativas entre los valores de diseño calculados por fórmulas generales y las mediciones reales. Se recomienda evaluar la fabricabilidad en la etapa de pedido, introducir factores de corrección durante el diseño y reservar márgenes de producción suficientes para mejorar la consistencia del producto y la confiabilidad de la entrega.