Diskusjon om design av transformatorer for jordning med lav nullsekvensimpedans

Med utvidelsen av kraftsystemets skala og kablingsprosessen i bykraftnett, har kapasitivstrømmen i 6kV/10kV/35kV kraftnett økt betydelig (generelt over 10A). Da kraftnett på dette spenningsnivået for det meste bruker en neutralett ubeskyttet driftsmode, og hovedtransformatorers distribusjonsside vanligvis er i deltaforbindelse uten et naturlig jordpunkt, kan bue under jordfeil ikke slukkes pålitelig, noe som krever innføring av jordetransformatorer. Z-type jordetransformatorer har blitt mainstream på grunn av sin lille nullsekvensimpedans, men noen systemer krever en enda lavere nullsekvensimpedans. Jo mindre impedansverdien er, jo større er avviket, noe som krever målrettede tiltak i designet av transformatorer med lav nullsekvensimpedans.

1. Beregningsmetode for nullsekvensimpedans for Z-type jordetransformator
1.1 Topologisk struktur

Høyvoltagevindingen til Z-type jordetransformator bruker en zigzagforbindelse. Hver fasevinding deles inn i øvre og nedre halvvindinger (som vist i figur 1), som er henholdsvis vindet på forskjellige jernkjernestolper. De to halvvindingene av samme fase kobles i serie med motsatt polaritet, og danner en spesiell magnetoelektrisk kuplingsstruktur.

Nullsekvensimpedansen beregnes som vist i ligning (1).

I formelen er X0 nullsekvensimpedansen, W antall vikter i en vinding (altså en halvvinding), ΣaR den ekvivalente lekkasje-magnetiske arealet, ρ Lorenzkoeffisienten, og H reaktanshøyden til vindingen.

2 Analyse av avvik i nullsekvensimpedans

Ifølge IEC 60076-1 standard er avviket i nullsekvensimpedansen for en jordetransformator anssett som godkjent hvis det ligger innenfor området ±10%. Gjennom analyse av testresultatene fra hundrevis av jordetransformatorer (inkludert oljeimberte og tørketype) produsert av selskapet de siste årene, og ved sammenligning av forskjellen mellom de faktiske målte verdiene og de designerte verdiene for nullsekvensimpedansen, kan forskjellene grovt deles inn i følgende tre kategorier:

• Målt verdi nærmer seg designverdien: Forskjellen ligger innenfor avviksberegningen. Dette typen utgjør den største andelen, og de fleste produktene er godkjente.

• Målt verdi er mindre enn designverdien: Avviket overstiger gitt verdi. Men siden brukere vanligvis bare spesifiserer øvre grense for impedansen og ingen nedre grense, er det fortsatt godkjent, selv om forekomsten er svært liten.

• Målt verdi er større enn designverdien: Det overstiger kundens krav alvorlig og blir anssett som ugodkjent. Dette er også en svært sjeldent situasjon.

På grunn av ulike krav til nullsekvensimpedans fra ulike brukere, finnes det ulike typer jordetransformatorer. Deriblant har 35kV-klassen den høyeste andelen, fulgt av 10kV-klassen. Generelt kreves det for 35kV-klassens jordetransformatorer at nullsekvensimpedansen er ≤ 120Ω; for 10kV-klassen er det vanligvis ≤ 15Ω. Noen brukere har mindre krav, mens andre ikke gir klare spesifikasjoner.

3 Dataanalyse

Ved å ta hensyn til testresultatene fra flere jordetransformatorer, ligger roten til det store avviket i nullsekvensimpedans i at verdien som brukeren krever, avviker for mye fra konvensjonelle impedansverdier. Både for store og små verdier vil dette bringe store utfordringer for produksjon og tilverking. Fra formel (1) kan man se at nullsekvensimpedansen har en kvadratisk relasjon til antallet vikter, som er den mest kritiske faktoren som påvirker nullsekvensimpedansen: jo flere vikter, jo mer tråd brukes; jo færre vikter, jo mer jernkjernematerial brukes. Uansett om nullsekvensimpedansen er for stor eller for liten, vil det øke produksjonskostnadene betydelig.

3.1 Saksanalyse

La oss ta to partier av småkapasitets 10kV jordetransformatorer som eksempler for analyse:

• Oljeimbert jordetransformator: Modell DKS11-125/10.5, uten sekundær vinding. Brukeren krever at nullsekvensimpedansen skal være < 4&Omega;. Basert på tidligere beregningsmetode, etter å ha tatt hensyn til produksjonsavvik og reservert en marg, er designverdien satt til 2.2&Omega;. Men under samme produksjonsprosess, overstiger testmålingen standarden alvorlig, og er 3.5 ganger designverdien; for det første partiet på 7 enheter, ligger nullsekvensimpedansen alle i området 7&Omega; - 8&Omega;.

• Tørketype jordetransformator: Modell DKSC11-125/10.5, designverdien for nullsekvensimpedans er 2.25&Omega;, og testresultatet for ferdigproduktet er 6.8&Omega;, som overstiger standarden omtrent 3 ganger. Det sendes fra fabrikken bare etter forhandlinger og tillatelse fra brukeren.

Ved sammenligning er avviket for oljeimbert typen litt større enn for tørketypen. Grunnen er at når man designer for en veldig lav nullsekvensimpedans, er antallet vikter lite, radial dimensjonen av vindingen er liten, og høyden er relativt høy, så nullsekvensverdien er vanskelig å kontrollere. Når grunnverdien er liten, fører dårlig kontroll av dimensjonene lett til forstøring av avvik; mens tørketype vinding er gjutet med harz, og ytre dimensjonen er lettere å kontrollere med hjelp av en form, så avviket er relativt mindre.

Faktiske produksjonsdata viser at den eksisterende beregningsmetoden ikke er anvendelig for jordetransformatorer med lav nullsekvensimpedans. Kombinert med statistiske data fra tidligere produkter, antas det at en korreksjonsfaktor bør innføres, og ulike nullsekvensverdier tilsvarer ulike korreksjonsfaktorer: som nullsekvensverdien øker, minsker koeffisienten ikke-lineært; når nullsekvensverdien når omtrent 10&Omega;, nærmer koeffisienten seg 1.0; etter å ha overskredet 10&Omega;, påvirkes koeffisienten lite av små forskjeller i produksjonsprosessen (det er noen sjeldne tilfeller der den er mindre enn 1.0, og det totale avviket er lavt), og formen for uttrykket er omtrent en invers proporsjonal funksjon i første kvadrant (se figur 2).

Det bør merkes at ovennevnte analyse er kun gyldig for 10kV-produkter. For produkter over 10kV, da det ikke er så strengt krav til lav nullsekvensimpedans, er det ikke funnet noen fenomen av for stort avvik i nullsekvensimpedans frem til nå.

4 Løsninger

For å løse problemet med for høy målt nullsekvensimpedans i jordetransformatorer med lav nullsekvensimpedans, foreslås følgende optimaliseringsforanstaltninger basert på datainnsamling og analyse:

4.1 Optimaliseringsstrategi for design

Når brukerne krever en ekstremt lav nullsekvensimpedansverdi, er nøyaktigheten av vindingdimensjoner vanskelig å sikre, og kan lett forstørre måleverdier. For produkter med en krevert nullsekvensimpedans <5&Omega;, bør en designmargin på 2-5 ganger reserveres. Jo mindre impedansverdien er, jo større margin trengs for å sikre at måleverdier oppfyller krav.

4.2 Kontrollpunkter for produksjon

Produksjonsprosessen spiller en avgjørende rolle for å sikre nøyaktighet i produktets ytelse:

• Nøyaktighet i formkontroll: Produser vindingformer strengt i henhold til designspesifikasjoner, og sikre at toleransene er oppfylt.

• Administrasjon av vindingdimensjoner:

• Kontroller nøyaktig radiale og aksiale dimensjoner av vindinger, da disse parametrene direkte påvirker nullsekvensimpedansen etter at antallet vikter er bestemt. Alle dimensjoner må overholde tegningstoleranser.

• For lavimpedansprodukter som bruker smale emaljerte tråder, må mellomlag isolasjon legges jevnt, og vindinger må være stramt vindet.

• Spesielle prosesser for tørketype produkter:

• For gjutte harzstrukturer, bruk interne og eksterne former for å kontrollere diameterdimensjoner. Tykkelsen av nettet som legges før vinding, bør være litt mindre (ikke større) enn angitt.

• Aksielle dimensjoner av segmenterte vindinger kontrolleres ved mellomsegmentisolasjon. Juster og fastsett høyde og avstand mellom hvert segment for å unngå kollaps under gjutning.

4.3 Anbefalinger for teknisk avtale

• Prioriter å spesifisere en nullsekvensimpedans &ge;5&Omega; i avtaler.

• Hvis brukerne insistere på <5&Omega;, kommuniser produksjonsutfordringer i forkant og etabler en konsultasjonsmekanisme for å unngå leveringsrisiko.

5 Konklusjon

For jordetransformatorer med lav nullsekvensimpedans, finnes det betydelige avvik mellom designverdier beregnet av generelle formler og faktiske målinger. Det anbefales å evaluere produksjonsmuligheter på bestillingstidspunktet, introdusere korreksjonsfaktorer under design, og reservere tilstrekkelige produksjonsmarginer for å forbedre produktkonsistens og leveringsrelativitet.