گفتگو درباره طراحی ترانسفورماتورهای زمینه گذار با امپدانس دنباله صفر کم

با گسترش مقیاس سیستم‌های برق و فرآیند کابل‌سازی شبکه‌های برق شهری، جریان ظرفیتی در شبکه‌های برق ۶kV/10kV/35kV به طور قابل توجهی افزایش یافته است (معمولاً بیش از ۱۰A). چون شبکه‌های در این سطح ولتاژ عمدتاً از حالت عملیاتی بدون زمین‌بندی میانه استفاده می‌کنند و سمت ولتاژ توزیع دستگاه‌های ترانسفورماتور اصلی معمولاً به صورت مثلثی هستند و نقطه زمین‌بندی طبیعی ندارند، قوس خطا در مواقع خرابی زمین‌بندی نمی‌تواند به روش قابل اطمینانی خاموش شود، بنابراین لازم است ترانسفورماتورهای زمین‌بندی معرفی شوند. ترانسفورماتورهای زمین‌بندی نوع Z به دلیل ممانا نظم صفر کوچک آنها به عنوان جریان اصلی تبدیل شده‌اند، اما برخی سیستم‌ها نیازمند ممانا نظم صفر کمتری هستند. هرچه مقدار ممانا کمتر باشد، انحراف بیشتر خواهد بود که نیازمند اقدامات هدفمند در طراحی ترانسفورماتورهای زمین‌بندی با ممانا نظم صفر پایین است.

1. روش محاسبه ممانا نظم صفر ترانسفورماتور زمین‌بندی نوع Z
1.1 ساختار توپولوژیک

پیچه بالادستی ترانسفورماتور زمین‌بندی نوع Z از اتصال زیگزاگ استفاده می‌کند. هر پیچه فاز به دو نیمه-پیچه (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده) تقسیم می‌شود که به ترتیب روی ستون‌های مختلف هسته پیچیده می‌شوند. دو نیمه-پیچه یک فاز با قطبیت معکوس به صورت سری اتصال یافته و یک ساختار تکاملی مغناطیس-برقی خاص تشکیل می‌دهند.

ممانا نظم صفر به صورت معادله (1) محاسبه می‌شود.

در این فرمول، X0 ممانا نظم صفر است، W تعداد دور یک پیچه (یعنی یک نیمه-پیچه) است، ΣaR مساحت مشابه مغناطیسی تسربی است، ρ ضریب لورنتز است و H ارتفاع واکنش پیچه است.

2 تحلیل انحراف ممانا نظم صفر

بر اساس استاندارد IEC 60076 - 1، انحراف ممانا نظم صفر یک ترانسفورماتور زمین‌بندی اگر در محدوده ±10% باشد، مؤهل تلقی می‌شود. با تحلیل نتایج تست صدها ترانسفورماتور زمین‌بندی (از جمله غوطه‌ور و خشک) تولید شده توسط شرکت در سال‌های اخیر و مقایسه تفاوت‌های بین مقادیر اندازه‌گیری شده و مقادیر طراحی شده ممانا نظم صفر، تفاوت‌ها می‌توانند به طور تقریبی به سه دسته تقسیم شوند:

• مقدار اندازه‌گیری شده نزدیک به مقدار طراحی شده است: تفاوت در محدوده انحراف قرار دارد. این نوع بیشترین نسبت را دارد و بیشتر محصولات مؤهل هستند.

• مقدار اندازه‌گیری شده کمتر از مقدار طراحی شده است: انحراف از مقدار داده شده بیشتر است. اما چون کاربران معمولاً فقط حد بالایی ممانا را مشخص می‌کنند و نیازی به حد پایینی ندارند، همچنان مؤهل است، اما نسبت وقوع آن بسیار کم است.

• مقدار اندازه‌گیری شده بیشتر از مقدار طراحی شده است: به طور جدی از نیازهای مشتری فراتر می‌رود و به عنوان نامؤهل تلقی می‌شود. به طور مشابه، این وضعیت نیز بسیار نادر است.

به دلیل نیازهای مختلف کاربران به ممانا نظم صفر، انواع مختلفی از ترانسفورماتورهای زمین‌بندی وجود دارد. از بین آنها، کلاس 35kV بیشترین نسبت را دارد، دنباله‌روی کلاس 10kV است. به طور کلی، برای ترانسفورماتورهای زمین‌بندی کلاس 35kV، ممانا نظم صفر معمولاً ≤ 120Ω مورد نیاز است؛ برای کلاس 10kV، معمولاً ≤ 15Ω مورد نیاز است. بعضی کاربران نیازهای کوچک‌تری دارند و بعضی نیازهای واضحی ندارند.

3 تحلیل داده‌ها

با در نظر گرفتن به طور کلی نتایج تست چندین ترانسفورماتور زمین‌بندی، علت اصلی انحراف بزرگ ممانا نظم صفر در این است که مقدار مورد نیاز کاربر از مقدار ممانا معمولی بسیار منحرف است. هم مقدار بسیار بزرگ و هم مقدار بسیار کوچک به تولید و ساخت چالش‌های بزرگی می‌دهد. از فرمول (1) می‌توان دریافت که ممانا نظم صفر رابطه مربعی با تعداد دور دارد که مهم‌ترین عامل مؤثر بر ممانا نظم صفر است: هرچه تعداد دور بیشتر باشد، مقدار سیم بیشتر است؛ هرچه تعداد دور کمتر باشد، مقدار مورد نیاز هسته بیشتر می‌شود. چه ممانا نظم صفر بسیار بزرگ باشد و چه بسیار کوچک، به طور قابل توجهی هزینه تولید را افزایش می‌دهد.

3.1 تحلیل موردی

دو دسته از ترانسفورماتورهای زمین‌بندی کلاس 10kV با ظرفیت کوچک به عنوان مثال برای تحلیل در نظر گرفته شده‌اند:

• ترانسفورماتور زمین‌بندی غوطه‌ور: مدل DKS11 - 125/10.5، بدون پیچه ثانویه. کاربر ممانا نظم صفر کمتر از 4Ω را می‌خواهد. بر اساس روش محاسبه قبلی، با در نظر گرفتن انحراف ساخت و ذخیره حاشیه، مقدار طراحی شده به 2.2Ω تنظیم شده است. اما تحت همان فرآیند تولید، نتیجه اندازه‌گیری به طور جدی از استاندارد فراتر می‌رود، 3.5 برابر مقدار طراحی شده است؛ برای اولین دسته 7 محصول، ممانا نظم صفر همگی در محدوده 7Ω - 8Ω قرار دارد.

• ترانسفورماتور زمین‌بندی خشک: مدل DKSC11 - 125/10.5، مقدار طراحی شده ممانا نظم صفر 2.25Ω است و نتیجه تست محصول تکمیل شده 6.8Ω است، حدود 3 برابر استاندارد. فقط پس از مذاکره و اجازه کاربر از کارخانه ارسال شده است.

با مقایسه، انحراف نوع غوطه‌ور کمی بیشتر از نوع خشک است. دلیل آن این است که در طراحی برای ممانا نظم صفر بسیار کوچک، تعداد دور کم است، اندازه شعاعی پیچه کم است و ارتفاع نسبتاً زیاد است، بنابراین مقدار نظم صفر دشوار است کنترل شود. وقتی مقدار پایه کم است، کنترل ضعیف اندازه به راحتی منجر به تقویت انحراف می‌شود؛ در حالی که پیچه خشک با رزین ریخته می‌شود و با کمک قالب، اندازه بیرونی راحت‌تر کنترل می‌شود، بنابراین انحراف نسبتاً کمتر است.

داده‌های تولید واقعی نشان می‌دهد که روش محاسبه موجود برای ترانسفورماتورهای زمین‌بندی با ممانا نظم صفر پایین قابل استفاده نیست. با ترکیب داده‌های آماری محصولات قبلی، پیشنهاد می‌شود یک ضریب تصحیح معرفی شود و مقدار‌های مختلف نظم صفر به ضرایب تصحیح مختلف متناظر باشند: با افزایش مقدار نظم صفر، ضریب به طور غیرخطی کاهش می‌یابد؛ وقتی مقدار نظم صفر به حدود 10Ω می‌رسد، ضریب به 1.0 نزدیک می‌شود؛ بعد از گذشت 10Ω، تحت تأثیر تفاوت‌های جزئی در فرآیند تولید، تغییر ضریب کم است (گاهی اوقات کمتر از 1.0 است و انحراف کلی کم است) و شکل بیان آن تقریباً تابع معکوس در ربع اول است (به شکل 2 مراجعه کنید).

باید توجه داشت که تحلیل فوق فقط برای محصولات 10kV قابل استفاده است. برای محصولات بالاتر از 10kV، چون نیاز به ممانا نظم صفر پایین چنین دقیقی وجود ندارد، تاکنون پدیده انحراف ممانا نظم صفر بیش از حد مشاهده نشده است.

4 راه‌حل‌ها

برای حل مشکل اندازه‌گیری ممانا نظم صفر بیش از حد در ترانسفورماتورهای زمین‌بندی با ممانا نظم صفر پایین، بر اساس جمع‌آوری و تحلیل داده‌ها، این اقدامات بهینه‌سازی پیشنهاد می‌شوند:

4.1 استراتژی بهینه‌سازی طراحی

هنگامی که کاربران مقدار ممانا نظم صفر بسیار کوچک را می‌طلبد، دقت ابعاد پیچه دشوار است تضمین شود و به راحتی انحراف‌های اندازه‌گیری را تقویت می‌کند. برای محصولات با ممانا نظم صفر مورد نیاز <5&Omega;، باید حاشیه طراحی 2-5 برابر رزرو شود. هرچه مقدار ممانا کمتر باشد، حاشیه بیشتری نیاز است تا اطمینان حاصل شود که مقادیر اندازه‌گیری شده نیازهای مورد نظر را برآورده می‌کنند.

4.2 نقاط کنترل تولید

فرآیند تولید نقش تعیین‌کننده‌ای در تضمین دقت عملکرد محصول دارد:

• کنترل دقت قالب: قالب‌های پیچه را به طور دقیق بر اساس مشخصات طراحی ساخته و مطمئن شوید که تolerans ابعادی برآورده شود.

• مدیریت ابعاد پیچه:

• ابعاد شعاعی و محوری پیچه را به طور دقیق کنترل کنید، چون این پارامترها پس از تعیین تعداد دور مستقیماً بر ممانا نظم صفر تأثیر می‌گذارند. تمام ابعاد باید با tolerans رسم‌ها سازگار باشند.

• برای محصولات با ممانا پایین که از سیم‌های لیمویی با قطر کوچک استفاده می‌کنند، باید عایق بین‌لایه به طور مسطح قرار داده شود و پیچه به طور محکم پیچیده شود.

• فرآیندهای ویژه برای محصولات خشک:

• برای ساختارهای ریخته‌گری رزین، از قالب‌های داخلی و خارجی برای کنترل دقیق ابعاد قطری استفاده کنید. ضخامت پارچه شبکه‌ای که قبل از پیچیدن گسترده می‌شود باید کمی (نه بیشتر) از مشخصات کوچک‌تر باشد.

• ابعاد محوری پیچه‌های تقسیم‌شده با عایق بین‌بخشی کنترل می‌شوند. ارتفاع و فاصله هر بخش را تنظیم و ثابت کنید تا از سقوط در حین ریخته‌گری جلوگیری شود.

4.3 پیشنهادات توافق فنی

• در توافقات، اولویت بدهید به مشخص کردن ممانا نظم صفر &ge;5&Omega;.

• اگر کاربران اصرار دارند بر <5&Omega;، به طور مقدمی دشواری‌های تولید را به آنها ابلاغ کنید و یک مکانیسم مشورتی برای جلوگیری از ریسک‌های تحویل ایجاد کنید.

5 نتیجه‌گیری

برای ترانسفورماتورهای زمین‌بندی با ممانا نظم صفر پایین، تفاوت‌های قابل توجهی بین مقادیر طراحی شده توسط فرمول‌های عمومی و مقادیر اندازه‌گیری شده وجود دارد. پیشنهاد می‌شود در مرحله سفارش، تولید‌پذیری را ارزیابی کنید، در طراحی ضرایب تصحیح معرفی کنید و حاشیه تولید کافی رزرو کنید تا همگونی محصول و قابلیت تحویل را افزایش دهید.