Discusión sobre o deseño de transformadores de aterramento de impedancia cero secuencial baixa

Con la expansión da escala do sistema eléctrico e o proceso de cableización das redes urbanas, a corrente capacitiva nas redes eléctricas de 6kV/10kV/35kV aumentou significativamente (xeralmente superando os 10A). Como as redes a este nivel de tensión adoptan en gran medida un modo de operación con neutro aislado, e o lado de distribución de tensión dos transformadores principais está xeralmente en conexión delta, sen un punto de terra natural, non se pode extinguir de forma fiable o arco durante fallos a terra, necesitándose a introdución de transformadores de terra. Os transformadores de terra tipo Z son a tendencia principal debido á súa pequena impedancia de secuencia cero, pero algúns sistemas requiren unha impedancia de secuencia cero incluso menor. Cuanto menor é o valor da impedancia, maior é a desviación, o que require medidas específicas no deseño de transformadores de terra de baixa impedancia de secuencia cero.

1. Método de Cálculo da Impedancia de Secuencia Cero para o Transformador de Terra Tipo Z
1.1 Estructura Topolóxica

O enrolamento de alta tensión do transformador de terra tipo Z adopta unha conexión zig-zag. Cada enrolamento de fase está dividido en dous semienrolamentos (como se mostra na Figura 1), que están respectivamente enroscados en diferentes columnas do núcleo de ferro. Os dous semienrolamentos da mesma fase están conectados en serie con polaridade inversa, formando unha estrutura especial de acoplamento magnético-eléctrico.

A impedancia de secuencia cero calcula-se como se mostra na ecuación (1).

Na fórmula, X0 é a impedancia de secuencia cero, W é o número de voltas dun enrolamento (é dicir, un semienrolamento), ΣaR é a área equivalente de flujo magnético de fuga, ρ é o coeficiente de Lorenz, e H é a altura de reacción do enrolamento.

2 Análise da Desviación da Impedancia de Secuencia Cero

Segundo a norma IEC 60076 - 1, a desviación da impedancia de secuencia cero dun transformador de terra considerase cualificada se está dentro do rango de ±10%. A través do análise dos resultados de proba de centos de transformadores de terra (incluíndo sumergidos en óleo e tipo seco) producidos pola empresa nos últimos anos, e comparando as diferenzas entre os valores medidos e os valores de deseño da impedancia de secuencia cero, as diferenzas poden dividirse aproximadamente nas seguintes tres categorías:

• O valor medido é próximo ao valor de deseño: A diferenza está dentro do rango de desviación. Este tipo representa a maior proporción, e a maioría dos produtos son cualificados.

• O valor medido é menor que o valor de deseño: A desviación supera o valor dado. No entanto, xa que os usuarios xeralmente só especifican o límite superior da impedancia e non hai un requisito de límite inferior, aínda así é cualificado, pero a proporción de ocorrencia é extremadamente pequena.

• O valor medido é maior que o valor de deseño: Supera seriamente os requisitos do cliente e considerase non cualificado. Tamén é unha situación moi rara.

Debido aos diferentes requisitos de impedancia de secuencia cero por parte de diferentes usuarios, existen varios tipos de transformadores de terra. Entre eles, a clase de 35kV ten a maior proporción, seguida da clase de 10kV. Xeralmente, para transformadores de terra de 35kV, a impedancia de secuencia cero normalmente debe ser ≤ 120Ω; para a clase de 10kV, xeralmente debe ser ≤ 15Ω. Algúns usuarios teñen requisitos menores, e outros non facen requisitos claros.

3 Análise de Datos

Considerando comprehensivamente os resultados de proba de múltiples transformadores de terra, a causa raíz da gran desviación da impedancia de secuencia cero reside en que o valor requerido polo usuario desvía demasiado do valor convencional de impedancia. Tanto valores demasiado grandes como demasiado pequenos supónen grandes desafíos para a fabricación. Pódese ver na Fórmula (1) que a impedancia de secuencia cero ten unha relación cuadrática co número de voltas, que é o factor máis crítico que afecta á impedancia de secuencia cero: canto maior é o número de voltas, maior é a cantidade de cable utilizada; canto menor é o número de voltas, maior é a cantidade de núcleo de ferro utilizada. Se a impedancia de secuencia cero é demasiado grande ou demasiado pequena, aumentará significativamente o custo de producción.

3.1 Análise de Casos

Tómense dous lotes de transformadores de terra de 10kV de pequena capacidade como exemplos para análise:

• Transformador de terra sumergido en óleo: Modelo DKS11 - 125/10.5, sen enrolamento secundario. O usuario require que a impedancia de secuencia cero sexa < 4&Omega;. Segundo o método de cálculo anterior, tras considerar a desviación de fabricación e reservar un margen, o valor de deseño establecese en 2.2&Omega;. No entanto, baixo o mesmo proceso de fabricación, o resultado da medida de proba supera seriamente o estándar, sendo 3.5 veces o valor de deseño; para o primeiro lote de 7 produtos, a impedancia de secuencia cero está todos no rango de 7&Omega; - 8&Omega;.

• Transformador de terra tipo seco: Modelo DKSC11 - 125/10.5, o valor de deseño da impedancia de secuencia cero é 2.25&Omega;, e o resultado da medida do produto acabado é 6.8&Omega;, superando o estándar por aproximadamente 3 veces. Só se envía da fábrica após negociación e permiso do usuario.

En comparación, a desviación do tipo sumergido en óleo é ligeramente maior que a do tipo seco. A razón é que ao deseñar para unha impedancia de secuencia cero moi pequena, o número de voltas é pequeno, o tamaño radial do enrolamento é pequeno, e a altura é relativamente alta, polo que o valor de secuencia cero é difícil de controlar. Cando o valor base é pequeno, un mal control do tamaño facilmente leva á amplificación da desviación; mentres que o enrolamento tipo seco está colado con resina, e a dimensión externa é máis fácil de controlar coa axuda dun molde, polo que a desviación é relativamente menor.

Os datos de produção reais mostran que o método de cálculo existente non é aplicable ao transformador de terra con baixa impedancia de secuencia cero. Combinado coa estatística de produtos anteriores, especúlase que se debería introducir un coeficiente de corrección, e diferentes valores de secuencia cero corresponden a diferentes coeficientes de corrección: a medida que o valor de secuencia cero aumenta, o coeficiente diminúe de forma non lineal; cando o valor de secuencia cero alcanza aproximadamente 10&Omega;, o coeficiente aproxímase a 1.0; despois de superar 10&Omega;, afectado por as ligeras diferenzas no proceso de fabricación, o coeficiente cambia pouco (hai casos ocasionais onde é menor que 1.0, e a desviación global é baixa), e a forma de expresión é aproximadamente unha función de proporcionalidade inversa no primeiro cuadrante (ver Figura 2).

Debe notarse que o anterior análise só é aplicable a produtos de 10kV. Para produtos superiores a 10kV, xa que non hai un tal requisito tan estricto de baixa impedancia de secuencia cero, non se descubriu ata a data o fenómeno de excesiva desviación da impedancia de secuencia cero.

4 Solucións

Para abordar o problema da excesiva impedancia de secuencia cero medida en transformadores de terra de baixa impedancia de secuencia cero, propóñense as seguintes medidas de optimización baseadas na recopilación e análise de datos:

4.1 Estratexia de Optimización de Deseño

Cando os usuarios requiren un valor de impedancia de secuencia cero extremadamente pequeno, a precisión das dimensións do enrolamento é difícil de asegurar, ampliando facilmente as desviacións de medida. Para produtos con unha impedancia de secuencia cero requerida <5&Omega;, debe reservarse un margen de deseño de 2-5 veces. Cuanto menor é o valor da impedancia, maior é o margen necesario para asegurar que os valores medidos cumpran os requisitos.

4.2 Puntos de Control de Fabricación

O proceso de fabricación xoga un papel decisivo na garantía da precisión do rendemento do produto:

• Control de Precisión do Molde: Fabríquense moldes de enrolamento estritamente segundo as especificacións de deseño, asegurando que se cumplan as tolerancias dimensionais.

• Gestión de Dimensións do Enrolamento:

• Controlese precisamente as dimensións radiais e axiais dos enrolamentos, xa que estes parámetros afectan directamente á impedancia de secuencia cero despois de determinar o número de voltas. Todas as dimensións deben cumprir as tolerancias do debuxo.

• Para produtos de baixa impedancia que usan cables esmaltados de calibre pequeno, a aislación intercalada debe colocarse plana, e os enrolamentos deben estar apertados de forma apertada.

• Procesos Especiais para Produtos de Tipo Seco:

• Para estructuras de resina fundida, úsense moldes internos e externos para controlar precisamente as dimensións do diámetro. O grosor da rede de tela colocada antes do enrolamento debe ser ligeramente menor (non maior) que o especificado.

• As dimensións axiais dos enrolamentos segmentados controlanse mediante a aislación intersegmentaria. Axuste e fixe a altura e a separación de cada segmento para evitar o desmoronamento durante a fundición.

4.3 Recomendacións de Acordo Técnico

• Priorízese especificar unha impedancia de secuencia cero &ge;5&Omega; nos acordos.

• Se os usuarios insisten en <5&Omega;, comuníquense previamente as dificultades de fabricación e estableza un mecanismo de consulta para evitar riscos de entrega.

5 Conclusión

Para transformadores de terra de baixa impedancia de secuencia cero, existe unha significativa desviación entre os valores de deseño calculados por fórmulas xerais e as medidas reais. Recómendase avaliar a fabricabilidade na etapa de pedido, introducir factores de corrección durante o deseño e reservar márgenes de producción suficientes para mellorar a consistencia do produto e a fiabilidade da entrega.