Характеризация на нулевата последователност на импеданса на сух трансформатор за заземяване със ZN връзка

В нейтрално изолирана трифазна система за електроенергия, трансформатор за заземяване предоставя изкуствена нейтрална точка, която може да бъде силно заземена или заземена чрез реактори/арко-подтискващи катушки. Връзката ZNyn11 е типична, при която нулевите магнитомотивни сили във вътрешните/външните полувитки на един и същ стержен се компенсират, балансирайки аварийните токове в сериозно свързани витки и минимизирайки нулевата последователност от утечки на магнитен поток/импеданс.

Нулевата последователност от импеданс е ключова: тя определя големината на аварийния ток и разпределението на напрежението между фаза и земя в системи с импедансно заземяване.

1. Характеристики на трансформатора за заземяване с връзка ZN

Макар че могат да се използват трансформатори с връзка YNd11, предпочитана е връзката ZNyn11 (Фиг. 1). Ключови различия:

• YNd11 се ползва от циркулиращите токове в дельта за балансиране, което намалява изходната капацитет.

• ZNyn11 използва магнитно свързване на сериозно свързани витки за балансиране на аварийните токове без загуба на капацитет, затова е по-широко приета.

По време на еднофазни земни аварии, изборът на подходящ импеданс за заземяване ограничава фазовите краткосрочни токове до рамките на допустимия фазов ток на основния трансформатор.

2. Анализ на нулевата последователност от импеданс на трансформатори за заземяване с връзка ZN

Основните технически параметри на модела за анализ на трансформатора за заземяване са показани в таблица 1, с допустима девиация на нулевата последователност от импеданс, която трябва да е в рамките на ±7.5%.

2.1 Изчисление на нулевата последователност от импеданс чрез традиционна емпирична формула

Както е показано на Фигура 2 (разположение на витките на трансформатора за заземяване), нулевата последователност от импеданс се дефинира като отношението на падането на напрежението в една фаза към аварийния ток, когато аварийният ток протича през всички три фази едновременно. За изчисление, X₀ следва принципа на импеданса на обикновен двувитков трансформатор за електроенергия (Уравнение 1).

В формулата, W представлява броят на витките. За витка с връзка ZN, W е броят на витките на полувитката; ∑aR означава еквивалентната площ на утечка на магнитен поток. За витка с връзка ZN, това е еквивалентната площ на утечка на магнитен поток на двете полувитки; ρ е коефициентът на Роговски; H е реактивната височина на витката.

След заместването на данните от таблица 1 в уравнение (1), изчислената нулева последователност от импеданс е 70.6 Ω.

2.2 Анализ на нулевата последователност от импеданс чрез електромагнитно софтуер

Електромагнитното софтуер Magnet от Infolytica беше използван за анализ на магнитното поле. Беше създаден упрощен 3D модел, основан на конструктивните характеристики на продукта, както е показано на Фигура 3. Софтуерът използва алгоритъм за решаване на група T-Ω потенциали с ламинирани елементи, използвайки интерполационни полиноми от 1-ви до 3-ти ред.

Конечният елементен анализ (FEA) е числен метод за изчисление, основан на вариационния принцип и интерполацията на мрежа. Първо той преобразува проблема с граница в съответстващ вариационен проблем (т.е. проблем за крайна стойност на функционал) чрез вариационния принцип, след това дискретизира вариационния проблем в крайна стойност на обикновена многомерна функция чрез интерполация на мрежа, като в крайна сметка го свежда до набор от многомерни алгебрични уравнения за решаване на численото решение. По време на анализа, деленията на мрежата бяха зададени както следва: въздух - 80, желязна ядро - 30, и витки - 15. Диаграмата на мрежата на продукта е детайлно представена на Фигура 4.

В алгоритми на конечни елементи, редът на полиномите корелира с точността на формата на функциите в областта на полето - по-високите редове по-добре характеризират свойствата на полето. За този модел беше приет полином от 2-ри ред, с максимум 20 итерации, грешка на итерация 0.5% и грешка на съчетан градиент 0.01%.

За да се тестира нулевата последователност от импеданс на трансформатора за заземяване чрез метода за свързване на поле-цеп, се прилага високо напрежение на номиналния ток (27.59 A връхно за софтуера) в нейтралната точка, долната страна се държи отворена, и се измерва напрежението.

2.3 Измерване на нулевата последователност от импеданс

Нулевата последователност от импеданс се измерва между линейните терминали и нейтралния терминал на трансформатора за заземяване при номинална честота (както е показано на Фигура 5), изразена в омове на фаза. Нейната стойност се изчислява като 3U/I (където U е тестовото напрежение, а I е тестовият ток). По време на измерването, номинален ток от 19.5 А се прилага на линейните терминали, а напрежението между линейните терминали и нейтралната точка се измерва като 443.3 V. Изчислената нулева последователност от импеданс е 68.2 Ω.

2.4 Сравнителен анализ на изчислените, моделирани и измерени стойности

Основните оперативни параметри са сравнени в таблица 2. Резултатите показват, че както изчислената, така и моделираната нулева последователност от импеданс на трансформатора за заземяване са близки до измерената стойност, с девиации от 3.5% и 0.88% съответно. Резултатите от моделироването с електромагнитно софтуер са по-близки до измерените стойности. Резултатите от анализа на магнитното поле помагат за ясно разбиране на характеристиките на разпределението на магнитното поле на продукта при това работно състояние, което може да бъде използвано за оптимизиране на електромагнитния дизайн и конструктивния дизайн на продукта, базиран на характеристиките на разпределението на магнитното поле.

Резултатите от моделироването на магнитното поле, получени чрез електромагнитно софтуер, са по-близки до измерените стойности. С помощта на резултатите от анализа на магнитното поле, характеристиките на разпределението на магнитното поле на продукта при това работно състояние могат да бъдат по-ясно разбрани, и така целенасочен електромагнитен дизайн и конструктивен дизайн на продукта могат да бъдат извършени.

3. Заключение

Нулевата последователност от импеданс е ключов параметър на трансформаторите за заземяване, с строги изисквания за девиация от потребителите. При изчисления с традиционни емпирични формули в инженерство, поправката на емпиричните коефициенти е необходима, което много зависи от опита на проектиращите и трудно осигурява точност.

За подобряване на точността, тази работа използва софтуер за моделиране за анализ на магнитното поле, сравнява с резултатите от емпиричните формули и проверява чрез тестове. Резултатите от моделироването са точни и могат да удовлетворят инженерните нужди.