Diskussion om design av grundtransformatorer med låg nollsekvensimpedans

Med utvidgningen av strömsystemets skala och kabeliseringen av stadsnät, har kapacitiv ström i 6kV/10kV/35kV-nät betydligt ökat (vanligtvis över 10A). Eftersom nät på detta spänningsnivå för det mesta använder neutral oförbunden driftläge, och distributionsvoltagesidan av huvudtransformatorer vanligtvis är i deltaanslutning, saknas en naturlig jordningspunkt, vilket gör att bågen vid jordfel inte kan släckas på ett tillförlitligt sätt, vilket kräver införandet av jordningstransformatorer. Z-typens jordningstransformatorer har blivit huvudströmmen på grund av deras små nollsekvensimpedans, men vissa system kräver lägre nollsekvensimpedans. Ju mindre impedansvärdet är, desto större blir avvikelsen, vilket kräver målinriktade åtgärder i designen av jordningstransformatorer med låg nollsekvensimpedans.

1. Beräkningsmetod för nollsekvensimpedans för Z-typens jordningstransformator
1.1 Topologisk struktur

Högspänningsvindningen av Z-typens jordningstransformator använder en zick-zackanslutning. Varje fasvindning delas in i övre och nedre halvvindningar (som visas i figur 1), som respektive virkas på olika järnstolpar. De två halvvindningarna av samma fas ansluts i serie med omvänd polaritet, vilket bildar en speciell magnetoelektrisk kopplingsstruktur.

Nollsekvensimpedansen beräknas enligt ekvation (1).

I formeln är X0 nollsekvensimpedansen, W antalet varv i en vindning (det vill säga en halvvindning), ΣaR den ekvivalenta läckagemagnetiska ytan, ρ Lorenz-koefficienten, och H reaktansthöjden för vindningen.

2 Analys av nollsekvensimpedansavvikelse

Enligt IEC 60076-1-standard anses nollsekvensimpedansavvikelsen för en jordningstransformator vara godtagbar om den ligger inom ±10%. Genom analys av provresultaten för hundratals jordningstransformatorer (inklusive oljeinbäddade och torra) producerade av företaget de senaste åren, och genom jämförelse av skillnaderna mellan de faktiska mätvärdena och de projekterade värdena för nollsekvensimpedansen, kan dessa skillnader grovt indelas i följande tre kategorier:

• Det mätta värdet är nära det projekterade värdet: Skillnaden ligger inom avvikelsespannet. Denna typ utgör den största andelen, och de flesta produkterna är godtagbara.

• Det mätta värdet är mindre än det projekterade värdet: Avvikelsen överskrider det angivna värdet. Eftersom användare vanligtvis bara anger övre gränsen för impedansen och det finns ingen nedre gräns, anses det fortfarande vara godtagbart, men förekomsten är extremt liten.

• Det mätta värdet är större än det projekterade värdet: Det överskrider allvarligt kundens krav och bedöms vara ogodtagbart. Detta är också en mycket ovanlig situation.

På grund av olika krav på nollsekvensimpedans från olika användare finns det olika typer av jordningstransformatorer. Bland dessa har 35kV-klassen den högsta andelen, följt av 10kV-klassen. Generellt sett krävs för 35kV-klass jordningstransformatorer att nollsekvensimpedansen oftast ska vara ≤ 120Ω; för 10kV-klassen krävs det vanligtvis att den ska vara ≤ 15Ω. Vissa användare har lägre krav, och vissa anger inga klara krav.

3 Dataanalys

Genom att sammanväga testresultatet för flera jordningstransformatorer ligger roten till den stora avvikelsen i nollsekvensimpedans i att det värde som användaren kräver avviker för mycket från det konventionella impedansvärdet. Både för stora och små värden kommer det att medföra stora utmaningar för produktion och tillverkning. Det framgår av formel (1) att nollsekvensimpedansen har ett kvadratiskt förhållande till antalet varv, vilket är den mest avgörande faktorn som påverkar nollsekvensimpedansen: ju fler varv, desto mer tråd används; ju färre varv, desto mer järnkärna används. Oavsett om nollsekvensimpedansen är för stor eller för liten, kommer det att betydligt öka produktionskostnaden.

3.1 Fallanalys

Ta två partier med småkapacitets 10kV-jordningstransformatorer som exempel för analys:

• Oljeinbäddad jordningstransformator: Modell DKS11-125/10.5, utan sekundär vindning. Användaren kräver att nollsekvensimpedansen ska vara < 4Ω. Enligt tidigare beräkningsmetod, efter att ha tagit hänsyn till tillverkningsavvikelse och reserverat marginal, sätts designvärdet till 2.2Ω. Men under samma tillverkningsprocess överstiger provresultatet allvarligt standarden, det är 3,5 gånger designvärdet; för det första partiet av 7 produkter ligger nollsekvensimpedansen alla inom intervallet 7Ω-8Ω.

• Torr jordningstransformator: Modell DKSC11-125/10.5, designvärdet för nollsekvensimpedans är 2.25Ω, och provresultatet för färdigprodukten är 6.8Ω, vilket överstiger standarden med ungefär 3 gånger. Den levereras från fabriken endast efter förhandling och tillstånd från användaren.

Genom jämförelse är avvikelsen för oljeinbäddade typer något större än för torra typer. Orsaken är att när man designer för en mycket liten nollsekvensimpedans, är antalet varv litet, radiella dimensionerna för vindningen är små, och höjden är relativt hög, så nollsekvensvärdet är svårt att kontrollera. När basvärdet är litet, leder dålig kontroll av dimensionerna lätt till att avvikelsen förstärks; medan torra vindningar gysts med harz, och externa dimensioner är lättare att kontrollera med hjälp av en form, så är avvikelsen relativt mindre.

De faktiska produktiondata visar att den befintliga beräkningsmetoden inte är tillämplig på jordningstransformatorer med låg nollsekvensimpedans. Sammanbundet med statistiska data från tidigare produkter, spekulerar man att en korrektionskoefficient bör införas, och olika nollsekvensvärden motsvarar olika korrektionskoefficienter: när nollsekvensvärdet ökar, minskar koefficienten icke-linjärt; när nollsekvensvärdet når cirka 10Ω, närmar sig koefficienten 1,0; efter 10Ω, påverkas koefficienten lite av små skillnader i tillverkningsprocessen, ändras koefficienten lite (det finns ibland fall där den är mindre än 1,0, och den totala avvikelsen är låg), och formen av uttrycket är ungefär en inversproportionell funktion i det första kvadranten (se figur 2).

Det bör noteras att denna analys endast gäller för 10kV-produkter. För produkter över 10kV, eftersom det inte finns lika strikta krav på låg nollsekvensimpedans, har fenomenet med överdriven nollsekvensimpedansavvikelse inte observerats hittills.

4 Lösningar

För att lösa problemet med överdriven mätt nollsekvensimpedans i jordningstransformatorer med låg nollsekvensimpedans, föreslås följande optimeringsåtgärder baserat på datainsamling och analys:

4.1 Designoptimeringsstrategi

När användare kräver ett extremt litet nollsekvensimpedansvärde, är precisionen i vindningsdimensioner svår att garantera, vilket lätt förstärker mätavvikelsen. För produkter med ett krävt nollsekvensimpedans <5Ω, bör en designmarginal på 2-5 gånger reserveras. Ju mindre impedansvärdet, desto större marginal behövs för att säkerställa att mätvärdena uppfyller kraven.

4.2 Tillverkningskontrollpunkter

Tillverkningsprocessen spelar en avgörande roll för att säkerställa produktens prestandaprecision:

• Formprecisionkontroll: Tillverka vindningsformer strikt enligt designspecifikationer, se till att dimensionstoleranser uppfylls.

• Vindningsdimensionshantering:

• Kontrollera noggrant radie- och axiella dimensioner av vindningar, eftersom dessa parametrar direkt påverkar nollsekvensimpedansen när antalet varv är fastställt. Alla dimensioner måste följa ritningstoleranser.

• För lågimpedansprodukter som använder smalt lacktråd, måste mellanlagsskydd läggas platt, och vindningar bör vara tätt virkade.

• Specialprocesser för torra produkter:

• För gjutharzstrukturer, använd interna och externa former för att exakt kontrollera diametern. Tjockleken på garnet som läggs innan virkning bör vara något mindre (inte större) än specificerat.

• Axiella dimensioner av segmenterade vindningar kontrolleras av mellansegmentsskydd. Justera och fastställ höjd och avstånd mellan varje segment för att förhindra kollaps under gjutning.

4.3 Tekniska avtal rekommendationer

• Prioritera att ange en nollsekvensimpedans ≥5Ω i avtal.

• Om användare insisterar på <5Ω, kommunicera tydligt tillverkningssvårigheter i förväg och etablera en rådgivningsmekanism för att undvika leveransrisker.

5 Slutsats

För jordningstransformatorer med låg nollsekvensimpedans, finns det betydande avvikelse mellan designvärden beräknade med generella formler och faktiska mätningar. Det rekommenderas att utvärdera tillverkningsbarheten vid beställningsfasen, införa korrektionsfaktorer under design, och reservera tillräcklig produktionsmarginal för att förbättra produktens enhetlighet och leveranssäkerhet.