Discussie over het ontwerp van laag nulrijlaagimpedantie aardingsgetransformateurs

Met de uitbreiding van het schaal van elektriciteitsnetwerken en de kabelisatie van stedelijke elektriciteitsnetwerken is de capacitaire stroom in 6kV/10kV/35kV-netwerken aanzienlijk toegenomen (over het algemeen meer dan 10A). Aangezien netwerken op dit spanningniveau meestal een neutrale ongegronde bedrijfsmodus hanteren, en de distributiespanningszijde van hoofdtransformatoren doorgaans in delta-verbinding is, ontbreekt er een natuurlijke aardingpunt, waardoor de boog tijdens grondfouten niet betrouwbaar kan worden gedoofd. Dit vereist de introductie van aardingsgetransformeerden. Z-type aardingsgetransformeerden zijn de mainstream geworden vanwege hun kleine nulreeksimpedantie, maar sommige systemen vereisen een nog lagere nulreeksimpedantie. Hoe kleiner de impedantiewaarde, hoe groter de afwijking, wat gerichte maatregelen vereist bij het ontwerp van getransformeerden met lage nulreeksimpedantie.

1. Berekeningsmethode voor de nulreeksimpedantie van Z-type aardingsgetransformeerden
1.1 Topologische structuur

De hoogspanningswinding van Z-type aardingsgetransformeerden maakt gebruik van een zigzagverbinding. Elke fasewinding wordt verdeeld in boven- en onderste halfwindingen (zie Figuur 1), die respectievelijk op verschillende ijzerkernkolommen worden gewikkeld. De twee halfwindingen van dezelfde fase worden in serie verbonden met tegengestelde polariteit, wat een speciale magnetoelektrische koppelstructuur vormt.

De nulreeksimpedantie wordt berekend zoals weergegeven in vergelijking (1).

In de formule is X0 de nulreeksimpedantie, W het aantal windingen van één winding (dat wil zeggen, een halfwinding), ΣaR is het equivalente lekkagemagnetisch gebied, ρ is de Lorenz-coëfficiënt, en H is de reactantiehoogte van de winding.

2 Analyse van de afwijking van de nulreeksimpedantie

Volgens de IEC 60076-1 standaard wordt de afwijking van de nulreeksimpedantie van een aardingsgetransformeerde als gekwalificeerd beschouwd als deze binnen het bereik van ±10% valt. Op basis van de analyse van de testresultaten van honderden aardingsgetransformeerden (inclusief oliegedrenkte en droogtype) die het bedrijf de afgelopen jaren heeft geproduceerd, en door de verschillen tussen de daadwerkelijk gemeten waarden en de ontwerpwaaarden van de nulreeksimpedantie te vergelijken, kunnen de verschillen ruwweg worden ingedeeld in de volgende drie categorieën:

• De gemeten waarde is dicht bij de ontwerpwaaarde: Het verschil ligt binnen het afwijkingbereik. Deze categorie vertegenwoordigt de grootste verhouding, en de meeste producten zijn gekwalificeerd.

• De gemeten waarde is kleiner dan de ontwerpwaaarde: De afwijking overschrijdt de gegeven waarde. Echter, omdat gebruikers meestal alleen de bovengrens van de impedantie specificeren en er geen ondergrensvereiste is, is het nog steeds gekwalificeerd, maar de voorkomensverhouding is zeer klein.

• De gemeten waarde is groter dan de ontwerpwaaarde: Het overschrijdt ernstig de eisen van de klant en wordt beoordeeld als ongekwalificeerd. Het is eveneens een zeer zeldzame situatie.

Vanwege de verschillende eisen voor nulreeksimpedantie door verschillende gebruikers, bestaan er verschillende typen aardingsgetransformeerden. Daarvan heeft de 35kV-klasse de hoogste verhouding, gevolgd door de 10kV-klasse. Over het algemeen wordt voor 35kV-klasse aardingsgetransformeerden de nulreeksimpedantie meestal vereist om ≤ 120Ω te zijn; voor de 10kV-klasse is het meestal vereist om ≤ 15Ω te zijn. Sommige gebruikers hebben kleinere eisen, en sommigen stellen geen duidelijke eisen.

3 Data-analyse

Bij overweging van de testresultaten van meerdere aardingsgetransformeerden, ligt de oorzaak van de grote afwijking van de nulreeksimpedantie in het feit dat de waarde die de gebruiker vereist te veel afwijkt van de conventionele impedantiewaarde. Zowel te grote als te kleine waarden brengen grote uitdagingen met zich mee voor productie en fabricage. Uit vergelijking (1) blijkt dat de nulreeksimpedantie een kwadratische relatie heeft met het aantal windingen, wat de meest cruciale factor is die de nulreeksimpedantie beïnvloedt: hoe meer windingen, hoe meer draad wordt gebruikt; hoe minder windingen, des te meer ijzerkern wordt gebruikt. Of de nulreeksimpedantie nu te groot of te klein is, het zal de productiekosten aanzienlijk verhogen.

3.1 Casestudie

Twee partijen kleine-capaciteit 10kV-aardingsgetransformeerden worden genomen als voorbeeld voor analyse:

• Oliegedrenkte aardingsgetransformeerde: Model DKS11-125/10.5, zonder secundaire winding. De gebruiker vereist dat de nulreeksimpedantie < 4&Omega; is. Volgens de voorgaande berekeningsmethode, na rekening te houden met de fabricageafwijking en een marge te reserveren, wordt de ontwerpwaaarde ingesteld op 2.2&Omega;. Echter, onder dezelfde productieproces, overschrijdt het testmeetresultaat ernstig de norm, 3.5 keer de ontwerpwaaarde; voor de eerste partij van 7 producten ligt de nulreeksimpedantie allemaal in het bereik van 7&Omega; - 8&Omega;.

• Droogtype aardingsgetransformeerde: Model DKSC11-125/10.5, de ontwerpwaaarde van de nulreeksimpedantie is 2.25&Omega;, en het testresultaat van het eindproduct is 6.8&Omega;, ongeveer 3 keer hoger dan de norm. Het wordt pas van de fabriek verzonden na overleg en toestemming van de gebruiker.

Bij vergelijking is de afwijking van het oliegedrenkte type iets groter dan dat van het droogtype. De reden hiervoor is dat bij het ontwerpen voor een zeer kleine nulreeksimpedantie, het aantal windingen klein is, de radiale afmeting van de winding klein is, en de hoogte relatief groot is, waardoor de nulreekswaarde moeilijk te controleren is. Wanneer de basiswaarde klein is, leidt slechte controle van de afmetingen gemakkelijk tot de versterking van de afwijking; terwijl de winding van het droogtype wordt gegoten met hars, en de externe afmeting gemakkelijker te controleren is met behulp van een mal, waardoor de afwijking relatief kleiner is.

De werkelijke productiedata tonen aan dat de bestaande berekeningsmethode niet van toepassing is op aardingsgetransformeerden met lage nulreeksimpedantie. Samen met de statistische gegevens van eerdere producten, wordt gespeculeerd dat een correctiefactor moet worden ingevoerd, en verschillende nulreekswaarden corresponderen met verschillende correctiefactoren: naarmate de nulreekswaarde toeneemt, neemt de factor non-lineair af; wanneer de nulreekswaarde ongeveer 10&Omega; bereikt, nadert de factor 1.0; na 10&Omega; te hebben overschreden, verandert de factor weinig (er zijn incidentele gevallen waarbij het minder dan 1.0 is, en de algehele afwijking is laag), en de uitdrukkingsvorm is ongeveer een omgekeerde proportionele functie in het eerste kwadrant (zie Figuur 2).

Het moet worden opgemerkt dat de bovenstaande analyse alleen van toepassing is op 10kV-producten. Voor producten boven 10kV, aangezien er geen zo strikte eis is voor lage nulreeksimpedantie, is het fenomeen van te grote nulreeksimpedantieafwijking tot nu toe niet aangetroffen.

4 Oplossingen

Om het probleem van de te hoge gemeten nulreeksimpedantie in aardingsgetransformeerden met lage nulreeksimpedantie aan te pakken, worden de volgende optimalisatiemaatregelen voorgesteld op basis van gegevensverzameling en -analyse:

4.1 Optimalisatiestrategie voor ontwerp

Wanneer gebruikers een uiterst kleine nulreeksimpedantiewaarde vereisen, is de precisie van de windingafmetingen moeilijk te garanderen, waardoor meetafwijkingen gemakkelijk worden versterkt. Voor producten met een vereiste nulreeksimpedantie <5&Omega; moet een ontwerpmarge van 2-5 keer worden gereserveerd. Hoe kleiner de impedantiewaarde, hoe groter de marge nodig is om ervoor te zorgen dat de gemeten waarden voldoen aan de eisen.

4.2 Controlepunten voor fabricage

Het productieproces speelt een beslissende rol bij het waarborgen van de nauwkeurigheid van de productprestaties:

• Nauwkeurigheidscontrole van mallen: Windingsmallen strikt volgens ontwerpspecificaties vervaardigen, zodat de toleranties worden voldaan.

• Beheer van windingafmetingen:

• Radiale en axiale afmetingen van windingen nauwkeurig controleren, aangezien deze parameters direct de nulreeksimpedantie beïnvloeden nadat het aantal windingen is bepaald. Alle afmetingen moeten voldoen aan de tekentoleranties.

• Voor producten met lage impedantie die kleine-liaan emaildraad gebruiken, moet tussenschillisolatie vlak worden gelegd, en windingen moeten strak worden gewikkeld.

• Speciale processen voor droogtype producten:

• Voor gegoten harsstructuren, interne en externe mallen gebruiken om de diameterafmetingen nauwkeurig te controleren. De dikte van het gaas dat voor het wikkelen wordt gelegd, moet licht kleiner (niet groter) zijn dan gespecificeerd.

• Axiale afmetingen van segmentale windingen worden gecontroleerd door tussensegmentisolatie. Pas de hoogte en de afstand van elk segment aan en fixeer deze om instorting tijdens het gieten te voorkomen.

4.3 Aanbevelingen voor technische overeenkomsten

• Geef prioriteit aan het specificeren van een nulreeksimpedantie &ge;5&Omega; in overeenkomsten.

• Als gebruikers aandringen op <5&Omega;, communiceer dan de fabricageproblemen vooraf duidelijk en stel een overlegmechanisme in om leveringsrisico's te voorkomen.

5 Conclusie

Voor aardingsgetransformeerden met lage nulreeksimpedantie bestaan er aanzienlijke afwijkingen tussen de ontwerpwaaarden berekend met algemene formules en de daadwerkelijke metingen. Het wordt aanbevolen om de vervaardigbaarheid op het bestelstadium te evalueren, correctiefactoren in te voeren tijdens het ontwerp, en voldoende productiemarges te reserveren om de consistentie en leveringsbetrouwbaarheid van de producten te versterken.