بحث درباره طراحی ترانس‌های زمین‌گذاری با امپدانس دنباله‌ای کم و صفر

با گسترش مقیاس سیستم‌های برق و فرآیند کابلی شدن شبکه‌های برق شهری، جریان ظرفیتی در شبکه‌های برق 6kV/10kV/35kV به طور قابل توجهی افزایش یافته است (معمولاً بیش از 10A). از آنجا که شبکه‌های برق در این سطح ولتاژ عموماً از حالت عملیاتی بدون زمین‌بندی میانه استفاده می‌کنند و طرف توزیع ولتاژ ترانسفورماتورهای اصلی معمولاً در اتصال مثلثی هستند و نقطه زمین‌بندی طبیعی ندارند، قوس خطا در مواقع خرابی زمین‌بندی نمی‌تواند به طور قابل اعتماد خاموش شود. بنابراین نیاز به معرفی ترانسفورماتورهای زمین‌بندی وجود دارد. ترانسفورماتورهای زمین‌بندی نوع Z به دلیل امپدانس صفر-سلب کوچک خود به عنوان روش غالب درآمده‌اند، اما برخی سیستم‌ها نیاز به امپدانس صفر-سلب کمتری دارند. هر چه مقدار امپدانس کوچک‌تر باشد، انحراف بیشتر خواهد بود که نیازمند اقدامات هدفمند در طراحی ترانسفورماتورهای زمین‌بندی با امپدانس صفر-سلب پایین است.

1. روش محاسبه امپدانس صفر-سلب ترانسفورماتور زمین‌بندی نوع Z
1.1 ساختار توپولوژی

در ترانسفورماتور زمین‌بندی نوع Z، پیچش فشاری از نوع اتصال مارپیچ است. هر پیچش فاز به دو نیم-پیچش (مانند شکل 1) تقسیم می‌شود که به ترتیب روی ستون‌های مختلف هسته‌ی آهنی پیچیده می‌شوند. دو نیم-پیچش یک فاز با قطبیت معکوس به طور سری به هم متصل می‌شوند و یک ساختار کوپل‌بندی مغناطیس-الکتریکی خاص را تشکیل می‌دهند.

امپدانس صفر-سلب به صورت نشان داده شده در معادله (1) محاسبه می‌شود.

در این فرمول، X0 امپدانس صفر-سلب است، W تعداد دور یک پیچش (یعنی یک نیم-پیچش) است، ΣaR مساحت مشابه مغناطیسی تسربی است، ρ ضریب لورنتز است و H ارتفاع واکنش پیچش است.

2 تحلیل انحراف امپدانس صفر-سلب

بر اساس استاندارد IEC 60076 - 1، انحراف امپدانس صفر-سلب یک ترانسفورماتور زمین‌بندی اگر در محدوده ±10% باشد، معتبر محسوب می‌شود. با تحلیل نتایج آزمایش‌های صدها ترانسفورماتور زمین‌بندی (از جمله نفتی و خشک) تولید شده توسط شرکت در سال‌های اخیر و مقایسه تفاوت‌های بین مقادیر اندازه‌گیری شده و مقادیر طراحی شده امپدانس صفر-سلب، تفاوت‌ها می‌توانند به سه دسته زیر تقسیم شوند:

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

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

• مقدار اندازه‌گیری شده بیشتر از مقدار طراحی شده: به طور جدی از نیازهای مشتری بیشتر است و غیر معتبر محسوب می‌شود. به طور مشابه، این وضعیت نیز بسیار نادر است.

به دلیل نیازهای مختلف کاربران برای امپدانس صفر-سلب، انواع مختلفی از ترانسفورماتورهای زمین‌بندی وجود دارد. از بین آنها، کلاس 35kV بیشترین نسبت را دارد، بعد از آن کلاس 10kV است. معمولاً برای ترانسفورماتورهای زمین‌بندی کلاس 35kV، امپدانس صفر-سلب معمولاً باید ≤ 120Ω باشد؛ برای کلاس 10kV، معمولاً باید ≤ 15Ω باشد. برخی کاربران نیازهای کوچک‌تری دارند و برخی نیازهای واضحی ندارند.

3 تحلیل داده‌ها

با در نظر گرفتن نتایج آزمایش‌های چندین ترانسفورماتور زمین‌بندی، علت اصلی انحراف بزرگ امپدانس صفر-سلب در این است که مقدار مورد نیاز کاربر بسیار با مقدار امپدانس متعارف متفاوت است. هم مقدار بسیار بزرگ و هم مقدار بسیار کوچک چالش‌های بزرگی برای تولید و ساخت می‌آورند. از فرمول (1) می‌توان دید که امپدانس صفر-سلب یک رابطه مربعی با تعداد دور دارد که مهم‌ترین عامل تأثیرگذار بر امپدانس صفر-سلب است: هر چه تعداد دور بیشتر باشد، مقدار سیم مصرفی بیشتر خواهد بود؛ هر چه تعداد دور کمتر باشد، مقدار هسته‌ی آهن مصرفی افزایش می‌یابد. چه امپدانس صفر-سلب بسیار بزرگ باشد و چه بسیار کوچک، هزینه تولید به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

3.1 تحلیل موردی

دو دسته از ترانسفورماتورهای زمین‌بندی 10kV با ظرفیت کم به عنوان مثال تحلیل می‌شوند:

• ترانسفورماتور زمین‌بندی نفتی: مدل DKS11 - 125/10.5، بدون پیچش ثانویه. کاربر امپدانس صفر-سلب 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 می‌شود. اما تحت همان فرآیند تولید، نتیجه اندازه‌گیری به طور جدی از استاندارد بیشتر می‌شود و 3.5 برابر مقدار طراحی شده است؛ برای اولین دسته 7 محصول، امپدانس صفر-سلب در محدوده 7Ω - 8Ω است.

• ترانسفورماتور زمین‌بندی خشک: مدل DKSC11 - 125/10.5، مقدار طراحی شده امپدانس صفر-سلب 2.25Ω است و نتیجه آزمایش محصول تکمیل شده 6.8Ω است که حدود 3 برابر استاندارد است. تنها پس از مذاکره و اجازه کاربر از کارخانه خارج می‌شود.

با مقایسه، انحراف نوع نفتی کمی بیشتر از نوع خشک است. دلیل آن این است که وقتی برای امپدانس صفر-سلب بسیار کم طراحی می‌شود، تعداد دور کم است، اندازه شعاعی پیچش کم است و ارتفاع نسبتاً زیاد است، بنابراین مقدار صفر-سلب دشوار قابل کنترل است. وقتی مقدار پایه کم است، کنترل ضعیف اندازه به راحتی منجر به تقویت انحراف می‌شود؛ در حالی که پیچش خشک با رزین ریخته می‌شود و با کمک قالب، ابعاد خارجی به راحتی قابل کنترل است، بنابراین انحراف کمتر است.

داده‌های تولید واقعی نشان می‌دهد که روش محاسبه موجود برای ترانسفورماتورهای زمین‌بندی با امپدانس صفر-سلب پایین قابل استفاده نیست. با ترکیب داده‌های آماری محصولات قبلی، پیشنهاد می‌شود یک ضریب اصلاحی معرفی شود و مقادیر مختلف صفر-سلب متناظر با ضرایب اصلاحی مختلف باشند: با افزایش مقدار صفر-سلب، ضریب کاهش غیرخطی می‌یابد؛ وقتی مقدار صفر-سلب به حدود 10Ω می‌رسد، ضریب به 1.0 نزدیک می‌شود؛ پس از 10Ω، با توجه به تفاوت‌های کوچک در فرآیند تولید، تغییرات ضریب کم است (گاهی اوقات کمتر از 1.0 است و انحراف کلی کم است)، و فرم بیان آن تقریباً یک تابع معکوس در ربع اول است (شکل 2 را ببینید).

باید توجه داشت که تحلیل فوق فقط برای محصولات 10kV قابل استفاده است. برای محصولات بالاتر از 10kV، چون نیاز به امپدانس صفر-سلب پایین به این حد مشخص نیست، تاکنون پدیده انحراف بیش از حد امپدانس صفر-سلب مشاهده نشده است.

4 راه‌حل‌ها

برای حل مشکل اندازه‌گیری بیش از حد امپدانس صفر-سلب در ترانسفورماتورهای زمین‌بندی با امپدانس صفر-سلب پایین، بر اساس جمع‌آوری و تحلیل داده‌ها، راه‌حل‌های بهینه‌سازی زیر پیشنهاد می‌شود:

4.1 استراتژی بهینه‌سازی طراحی

وقتی کاربران مقدار امپدانس صفر-سلب بسیار کم می‌خواهند، دقت ابعاد پیچش دشوار قابل تضمین است و به راحتی انحراف‌های اندازه‌گیری را تقویت می‌کند. برای محصولات با امپدانس صفر-سلب مورد نیاز <5&Omega;، باید حاشیه طراحی 2-5 برابر ذخیره شود. هر چه مقدار امپدانس کمتر باشد، نیاز به حاشیه بیشتری برای تضمین مطابقت مقادیر اندازه‌گیری شده با نیازها وجود دارد.

4.2 نقاط کنترل تولید

فرآیند تولید نقش تعیین‌کننده‌ای در تضمین دقت عملکرد محصول دارد:

• کنترل دقت قالب: قالب‌های پیچشی باید به طور دقیق بر اساس مشخصات طراحی ساخته شوند تا تحمل‌های ابعادی تأمین شوند.

• مدیریت ابعاد پیچش:

• ابعاد شعاعی و محوری پیچش را به طور دقیق کنترل کنید، چرا که این پارامترها پس از تعیین تعداد دور مستقیماً بر امپدانس صفر-سلب تأثیر می‌گذارند. تمام ابعاد باید با تحمل‌های رسم‌شده مطابقت داشته باشند.

• برای محصولات با امپدانس پایین که از سیم‌های لایه‌ای با قطر کوچک استفاده می‌کنند، باید عایق بین‌لایه به طور مسطح گذاشته شود و پیچش‌ها به طور محکم پیچیده شوند.

• فرآیندهای ویژه برای محصولات خشک:

• برای ساختارهای ریخته‌گری رزین، از قالب‌های داخلی و خارجی برای کنترل دقیق ابعاد قطری استفاده کنید. ضخامت پارچه‌ی شبکه‌ای که قبل از پیچش گذاشته می‌شود باید کمی کوچک‌تر (نه بزرگ‌تر) از مشخصات باشد.

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

4.3 پیشنهادات توافق فنی

• در توافقات ابتدا امپدانس صفر-سلب &ge;5&Omega; را مشخص کنید.

• اگر کاربران اصرار دارند کمتر از 5&Omega; باشد، دشواری‌های تولید را مقدماتاً به آنها اعلام کنید و یک مکانیسم مشورتی برقرار کنید تا از ریسک‌های تحویل جلوگیری شود.

5 نتیجه‌گیری

برای ترانسفورماتورهای زمین‌بندی با امپدانس صفر-سلب پایین، تفاوت‌های قابل توجهی بین مقادیر طراحی شده با استفاده از فرمول‌های عمومی و مقادیر اندازه‌گیری شده وجود دارد. پیشنهاد می‌شود در مرحله سفارش، تولید‌پذیری را ارزیابی کنید، ضرایب اصلاحی را در طراحی معرفی کنید و حاشیه‌های تولید کافی را ذخیره کنید تا سازگاری محصول و قابلیت تحویل را افزایش دهید.