Razgovor o projektovanju transformatora sa niskim nultim redom impedancije za zemljisanje

Sa proširenjem mreže elektroenergetskega sistema i procesom kabliranja gradske mreže, kapacitivni tok u mrežama od 6kV/10kV/35kV značajno je porastao (obično premašuje 10A). Budući da mreže na ovom naponu uglavnom koriste režim rada s nezazemljenim neutralom, a distribucijska strana glavnih transformatora obično ima delta spoj, bez prirodnog tačke zazemljenja, lukovi tijekom zemljanih grešaka ne mogu pouzdano ugasi, što zahtijeva uvodjenje zazemljivnih transformatora. Z-tipovi zazemljivih transformatora postali su mainstream zbog njihovog malog nultog rednog impedansa, ali neki sistemi zahtijevaju još manji nulti redni impedans. Što je manja vrijednost impedansa, veća je devijacija, što zahtijeva ciljane mjere u dizajnu transformatora s niskim nultim rednim impedansom.

1. Metoda izračunavanja nultog rednog impedansa za Z-tip zazemljivog transformatora
1.1 Topološka struktura

Visokonaponsko vitanje Z-tipa zazemljivog transformatora koristi crtežni spoj. Svako fazono vitanje je podijeljeno na gornju i donju polovicu (kao što je prikazano na Slici 1), koja se pojasebno namota na različite stubove željeznog jezgra. Dvije polovice istog faznog vitanja su serijalno povezane sa suprotnom polaritetom, formirajući specifičnu magnetoelektričku strukturu.

Nulti redni impedans se izračunava kao što je prikazano u jednadžbi (1).

U formuli, X0 jeste nulti redni impedans, W jest broj zavoja jednog vitanja (tj. polovice vitanja), ΣaR jeste ekvivalentna površina curenja magnetskog polja, ρ jeste Lorenzov koeficijent, a H jest visina reaktancije vitanja.

2 Analiza devijacije nultog rednog impedansa

Prema standardu IEC 60076 - 1, devijacija nultog rednog impedansa zazemljivog transformatora smatra se ispravnom ako je unutar opsega ±10%. Analizom testnih rezultata stotina zazemljivih transformatora (uključujući uljane i suhe tipove) proizvedenih od strane tvrtke u posljednjih godina, te usporedbom razlike između stvarno izmjerene vrijednosti i projektirane vrijednosti nultog rednog impedansa, razlike se mogu približno podijeliti u sljedeće tri kategorije:

• Izmjerena vrijednost je blizu projektirane vrijednosti: Razlika je unutar dopuštene devijacije. Ova kategorija čini najveći udio, a većina proizvoda je ispravna.

• Izmjerena vrijednost je manja od projektirane vrijednosti: Devijacija premašuje zadatu vrijednost. Međutim, budući da korisnici obično specificiraju samo gornju granicu impedansa i nema zahtjeva za donjom granicom, i dalje je ispravna, ali frekvencija pojavljivanja ove situacije je vrlo mala.

• Izmjerena vrijednost je veća od projektirane vrijednosti: Značajno premašuje zahtjeve korisnika i smatra se neispravnom. Ovo je također vrlo rijetka situacija.

Zbog različitih zahtjeva za nultim rednim impedansom različitih korisnika, postoje razne vrste zazemljivih transformatora. Između ostalog, najveći udio imaju 35kV klase, zatim 10kV klase. Općenito, za zazemljive transformatore 35kV klase, nulti redni impedans se najčešće zahtijeva da bude ≤ 120Ω; za 10kV klasu, obično se zahtijeva da bude ≤ 15Ω. Neki korisnici imaju manje zahtjeve, a neki ne specificiraju jasne zahtjeve.

3 Analiza podataka

Kompleksno razmatranje testnih rezultata više zazemljivih transformatora pokazuje da se korijen velike devijacije nultog rednog impedansa nalazi u tome što se vrijednost zahtijevana od strane korisnika previše razlikuje od konvencionalne vrijednosti impedansa. Prevelika i premala vrijednost donose velike izazove u proizvodnji i izradi. Iz Formule (1) se može vidjeti da nulti redni impedans ima kvadratnu vezu s brojem zavoja, što je najkritičniji faktor koji utječe na nulti redni impedans: što je više zavoja, veća je količina žice koja se koristi; što je manje zavoja, veća je količina željeznog jezgra koja se koristi. Bez obzira da li je nulti redni impedans preveliki ili premali, to značajno povećava trošak proizvodnje.

3.1 Analiza slučaja

Kao primjer analize uzeti dva serije malih kapaciteta 10kV zazemljivih transformatora:

• Uljan zazemljivi transformator: Model DKS11 - 125/10.5, bez sekundarnog vitanja. Korisnik zahtijeva da nulti redni impedans bude < 4&Omega;. Prema prethodnoj metodi izračunavanja, uzimajući u obzir odstupanje proizvodnje i rezervisanje margine, projektirana vrijednost postavlja se na 2.2&Omega;. Međutim, pod istim proizvodnim procesom, testni rezultat značajno premašuje standard, budeći 3.5 puta veći od projektirane vrijednosti; za prvu seriju od 7 proizvoda, nulti redni impedans je bio u rasponu od 7&Omega; - 8&Omega;.

• Suhi zazemljivi transformator: Model DKSC11 - 125/10.5, projektirana vrijednost nultog rednog impedansa je 2.25&Omega;, a testni rezultat gotovog proizvoda je 6.8&Omega;, premašujući standard oko 3 puta. Ispraćen je s fabrike tek nakon pregovora i dozvole korisnika.

Usporedbom, odstupanje uljanog tipa je nešto veće od suhog tipa. Razlog je taj što, kada se projektira vrlo mali nulti redni impedans, broj zavoja je mali, radijalne dimenzije vitanja su male, a visina je relativno velika, pa je teško kontrolirati nultu rednu vrijednost. Kada je bazna vrijednost mala, loša kontrola dimenzija lako dovodi do povećanja odstupanja; dok su vitanja suhoga tipa lisana umjetnim dijelom, vanjska dimenzija je lakše kontrolirana uz pomoć kalupa, pa je odstupanje relativno manje.

Stvarni podaci proizvodnje pokazuju da postojeća metoda izračunavanja nije primjenjiva na zazemljive transformatore s niskim nultim rednim impedansom. U kombinaciji sa statistikom prethodnih proizvoda, pretpostavlja se da bi trebao biti uveden korekcijski koeficijent, a različite nulte redne vrijednosti odgovaraju različitim korekcijskim koeficijentima: kako nulta redna vrijednost raste, koeficijent linearno pada; kada nulta redna vrijednost doseže oko 10&Omega;, koeficijent se približava 1.0; nakon prelaska 10&Omega;, uz utjecaj malih razlika u proizvodnom procesu, koeficijent se malo mijenja (postoji ponekad slučajeva kada je manji od 1.0, a ukupno odstupanje je nisko), i oblik izraza je približno obrnuta proporcionalna funkcija u prvom kvadrantu (vidi Sliku 2).

Trebalo bi napomenuti da se gornja analiza odnosi samo na 10kV proizvode. Za proizvode iznad 10kV, budući da nema tako stroge zahtjeve za niskim nultim rednim impedansom, dosad nije pronađen fenomen prekomjernog odstupanja nultog rednog impedansa.

4 Rješenja

Da bi se riješila problema prekomjerne izmjerene vrijednosti nultog rednog impedansa kod zazemljivih transformatora s niskim nultim rednim impedansom, predlažu se sljedeće optimizacijske mjere temeljene na prikupljanju i analizi podataka:

4.1 Strategija optimizacije dizajna

Kada korisnici zahtijevaju ekstremno mali nulti redni impedans, preciznost dimenzija vitanja je teško osigurati, lako povećavajući odstupanja u mjerenju. Za proizvode s zahtjevom za nultim rednim impedansom <5&Omega;, treba rezervirati maržu od 2-5 puta. Što je manja vrijednost impedansa, veća je potrebna marža kako bi se osiguralo da izmjerene vrijednosti zadovoljavaju zahtjeve.

4.2 Kontrolne točke proizvodnje

Proizvodni proces igra odlučujuću ulogu u osiguranju preciznosti performansi proizvoda:

• Kontrola preciznosti kalupa: Kalupe za vitanje treba izraditi strogo prema projektiranim specifikacijama, osiguravajući da su tolerancije dimenzija zadovoljene.

• Upravljanje dimenzijama vitanja:

• Precizno upravljati radijalnim i aksijalnim dimenzijama vitanja, jer ovi parametri direktno utječu na nulti redni impedans nakon određivanja broja zavoja. Sve dimenzije moraju biti u skladu s tolerancijama crteža.

• Za proizvode s niskim impedansom koji koriste tanke enameledne žice, međuslojna izolacija mora biti ravna, a vitanja treba tesno namotati.

• Posebni procesi za suhe proizvode:

• Za lisane umjetnim dijelom strukture, koristiti unutarnje i vanjske kalupe za preciznu kontrolu promjera. Debljina mreže koja se položi prije namotavanja treba biti nešto manja (a ne veća) od predviđene.

• Aksijalne dimenzije segmentiranih vitanja upravljaju se intersegmentnom izolacijom. Ajustirati i fiksirati visinu i razmak svakog segmenta kako bi se spriječilo padanje tijekom lisanja.

4.3 Preporuke tehničkih sporazuma

• Prioritetno specificirati nulti redni impedans &ge;5&Omega; u sporazumima.

• Ako korisnici insistiraju na <5&Omega;, unaprijed jasno komunicirati teškoće proizvodnje i uspostaviti mehanizam konsultacija kako bi se izbjegli rizici pri isporuci.

5 Zaključak

Za zazemljive transformatore s niskim nultim rednim impedansom, postoji značajna devijacija između projektiranih vrijednosti izračunatih općim formulama i stvarno izmjerene vrijednosti. Preporučljivo je procijeniti proizvodnost na etapi narudžbe, uvesti korekcijske faktore tijekom dizajna i rezervirati dovoljnu proizvodnu maržu kako bi se povećala konzistentnost proizvoda i pouzdanost isporuke.