Dyskusja na temat projektowania transformatorów ziemnych o niskiej impedancji zerowej
Wraz z rozszerzeniem skali systemów energetycznych i procesem kablowania sieci miejskich, pojemna prąd w sieciach 6kV/10kV/35kV znacząco wzrosła (zazwyczaj przekracza 10A). Ponieważ sieci o tym napięciu najczęściej stosują tryb działania z niezakłóconą neutralą, a strona dystrybucji napięcia głównych transformatorów jest zwykle połączona w trójkąt, brakuje naturalnego punktu ziemnego, co uniemożliwia niezawodne gaszenie łuków podczas uszkodzeń do ziemi, stąd konieczność wprowadzenia transformatorów ziemnych. Transformatory ziemne typu Z stały się dominujące ze względu na małą impedancję zerową, ale niektóre systemy wymagają jeszcze mniejszej impedancji zerowej. Im mniejsza wartość impedancji, tym większy odchylenie, co wymaga skierowanych działań w projekcie transformatorów ziemnych o niskiej impedancji zerowej.
1. Metoda obliczania impedancji zerowej dla transformatora ziemnego typu Z
1.1 Struktura topologiczna
Wysokonapięciowe cewki transformatora ziemnego typu Z są połączone w układ zig-zag. Każda faza cewki jest podzielona na górne i dolne półcewki (jak pokazano na Rysunku 1), które są odpowiednio nawinięte na różne słupy rdzenia. Dwie półcewki tej samej fazy są połączone szeregowo z odwróconą polarnością, tworząc specjalną strukturę magneto-elektryczną.
Impedancja zerowa jest obliczana zgodnie z równaniem (1).
W formule, X0 jest impedancją zerową, W to liczba zwitek jednej cewki (czyli półcewki), ΣaR to równoważna powierzchnia przecieków magnetycznych, ρ to współczynnik Lorentza, a H to wysokość reaktancji cewki.
2 Analiza odchylenia impedancji zerowej
Zgodnie ze standardem IEC 60076 - 1, odchylenie impedancji zerowej transformatora ziemnego jest uznawane za dopuszczalne, jeśli mieści się w zakresie ±10%. Na podstawie analizy wyników testów setek transformatorów ziemnych (w tym olejowych i suchych) wyprodukowanych przez firmę w ostatnich latach oraz porównania różnic między rzeczywistymi wartościami pomiarowymi a wartościami projektowanymi impedancji zerowej, różnice można przybliżenie podzielić na następujące trzy kategorie:
Ze względu na różne wymagania dotyczące impedancji zerowej przez różnych użytkowników, istnieje wiele rodzajów transformatorów ziemnych. Spośród nich, klasa 35kV ma najwyższą proporcję, a następnie klasa 10kV. Ogólnie, dla transformatorów ziemnych klasy 35kV, impedancja zerowa jest zazwyczaj wymagana do ≤ 120Ω; dla klasy 10kV, zwykle wymagana jest ≤ 15Ω. Niektórzy użytkownicy mają mniejsze wymagania, a niektórzy nie określają jasnych wymagań.
3 Analiza danych
Biorąc pod uwagę wyniki testów wielu transformatorów ziemnych, podstawowa przyczyna dużego odchylenia impedancji zerowej leży w tym, że wartość wymagana przez użytkownika znacznie odbiega od konwencjonalnej wartości impedancji. Zarówno zbyt duże, jak i zbyt małe wartości stanowią duże wyzwanie dla produkcji i wytwarzania. Widoczne z równania (1) jest, że impedancja zerowa ma kwadratową zależność od liczby zwitek, co jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na impedancję zerową: im więcej zwitek, tym więcej drutu jest używane; im mniej zwitek, tym więcej rdzenia jest potrzebne. Czy impedancja zerowa jest zbyt duża, czy zbyt mała, znacznie zwiększa koszty produkcji.
3.1 Analiza przypadków
Weźmy dwa partie małych transformatorów ziemnych 10kV jako przykład do analizy:
W porównaniu, odchylenie w przypadku transformatora olejowego jest nieco większe niż w przypadku suchego. Powodem jest to, że podczas projektowania bardzo małej impedancji zerowej, liczba zwitek jest mała, promień cewki jest mały, a wysokość jest względnie duża, co sprawia, że wartość zerowa jest trudna do kontrolowania. Gdy wartość bazowa jest mała, słaba kontrola rozmiarów łatwo prowadzi do powiększenia odchylenia; natomiast cewka sucha jest odlewana z żywicy, a wymiary zewnętrzne są łatwiejsze do kontroli dzięki formie, co sprawia, że odchylenie jest mniejsze.
Dane rzeczywistej produkcji pokazują, że istniejąca metoda obliczeniowa nie jest stosowalna do transformatorów ziemnych o niskiej impedancji zerowej. Biorąc pod uwagę statystyczne dane poprzednich produktów, przypuszcza się, że należy wprowadzić współczynnik korekcyjny, a różne wartości zerowe odpowiadają różnym współczynnikom korekcyjnym: gdy wartość zerowa rośnie, współczynnik maleje nieliniowo; gdy wartość zerowa osiąga około 10Ω, współczynnik zbliża się do 1.0; po przekroczeniu 10Ω, z powodu drobnych różnic w procesie produkcyjnym, współczynnik zmienia się niewielko (czasami może być mniejszy niż 1.0, a ogólnie odchylenie jest niewielkie), a forma wyrażenia jest przybliżona funkcją odwrotnie proporcjonalną w pierwszej ćwiartce (patrz Rysunek 2).
Warto zauważyć, że powyższa analiza dotyczy tylko produktów 10kV. Dla produktów powyżej 10kV, ponieważ nie ma tak surowych wymagań dotyczących niskiej impedancji zerowej, dotychczas nie zaobserwowano zjawiska zbyt dużego odchylenia impedancji zerowej.
4 Rozwiązania
Aby rozwiązać problem zbyt dużej pomierzonej impedancji zerowej w transformatorach ziemnych o niskiej impedancji zerowej, proponuje się następujące optymalizacje na podstawie gromadzenia i analizy danych:
4.1 Strategia optymalizacji projektu
Gdy użytkownicy wymagają ekstremalnie małej wartości impedancji zerowej, precyzja wymiarów cewek jest trudna do zapewnienia, co łatwo powoduje powiększenie odchyleń pomiarowych. Dla produktów z wymaganą impedancją zerową <5Ω, należy zarezerwować margines projektowy 2-5 razy. Im mniejsza wartość impedancji, tym większy margines potrzebny, aby zapewnić, że wartości pomiarowe spełniają wymagania.
4.2 Punkty kontrolne produkcji
Proces produkcyjny odgrywa decydującą rolę w zapewnianiu dokładności charakterystyk produktu:
4.3 Rekomendacje dotyczące umów technicznych
5 Wnioski
Dla transformatorów ziemnych o niskiej impedancji zerowej, istnieją znaczne odchylenia między wartościami projektowanymi obliczanymi przez ogólne wzory a rzeczywistymi pomiarami. Zaleca się ocenę możliwości produkcji na etapie zamówienia, wprowadzenie współczynników korekcyjnych w projekcie i zarezerwowanie wystarczającego marginesu produkcyjnego, aby zwiększyć spójność produktów i niezawodność dostawy.
