Caracterització de la Impedància de Seqüència Zero d'un Transformador de Massa Sec de Connexió ZN
En un sistema de alimentación trifàsic amb aïllament neutral, un transformador de terra proporciona un punt neutre artificial, que pot estar connectat directament a terra o a través de reactances/bobines d'extinció d'arc. La connexió ZNyn11 és típica, on les forces magnetomotrius de seqüència zero en les meitats de bobina interna/externa de la mateixa columna de nucli s'anul·len, equilibrant les corrents de fallada en les bobines en sèrie i minimitzant el flux de fuga de seqüència zero/la impedància.
La impedància de seqüència zero és crítica: determina la magnitud de la corrent de fallada i la distribució de tensió fase-a-terra en sistemes aterrats per impedància.
1. Característiques dels Transformadors de Terra Connectats ZN
Encara que es poden utilitzar transformadors connectats YNd11, es prefereix ZNyn11 (Fig. 1). Diferències principals:
Durant les falls unifàsiques a terra, seleccionar la impedància de terra adequada limita les corrents de curto-circuit fase a fase a dins de la corrent de fase nòminal del transformador principal.
2. Anàlisi de la Impedància de Seqüència Zero dels Transformadors de Terra Connectats ZN
Els paràmetres tècnics principals del model d'anàlisi del transformador de terra es mostren a la Taula 1, amb la desviació permessa de la impedància de seqüència zero requerida dins de ±7,5%.
2.1 Càlcul de la Impedància de Seqüència Zero mitjançant la Fórmula Empírica Tradicional
Com es mostra a la Figura 2 (disposició de les bobines del transformador de terra), la impedància de seqüència zero es defineix com la relació entre la caiguda de tensió en una fase i la corrent de fallada quan la corrent de fallada flueix simultàniament a través de les tres fases. Per al càlcul, X0 segueix el principi d'impedància dels transformadors de potència de doble bobina ordinaris (Equació 1).
En la fórmula, W representa el nombre de voltants. Per a una bobina amb connexió ZN, W és el nombre de voltants de la meitat de bobina; ∑aR denota l'àrea de fuga de flux equivalent. Per a una bobina amb connexió ZN, és l'àrea de fuga de flux equivalent de les dues meitats de bobina; ρ és el coeficient de Rogowski; H és l'alçada de reactància de la bobina.
Substituint les dades de la Taula 1 a l'Equació (1), la impedància de seqüència zero calculada és de 70,6 Ω.
2.2 Anàlisi de la Impedància de Seqüència Zero mitjançant Programari Electromagnètic
Es va utilitzar el programari electromagnètic Magnet d'Infolytica per a l'anàlisi del camp magnètic. Es va establir un model simplificat 3D basat en les característiques estructurals del producte, com es mostra a la Figura 3. El programari utilitza un algoritme de resolució de grup de potencial T-Ω amb elements laminats utilitzant polinomis d'interpolació d'ordre 1 a 3.
L'anàlisi per elements finits (FEA) és un mètode de càlcul numèric basat en el principi variacional i la interpolació de malles. Primer transforma el problema de valors de frontera en un problema variacional corresponent (és a dir, un problema extrem de funcional), després discretitza el problema variacional en un problema extrem d'una funció multivariable comuna a través de la interpolació de malles, finalment ho redueix a un conjunt d'equacions algebraiques multivariables per resoldre la solució numèrica. Durant l'anàlisi, les divisions de la malla es van configurar de la següent manera: aire a 80, nucli ferros a 30, i bobines a 15. El diagrama de malla del producte es detalla a la Figura 4.
En els algoritmes d'elements finits, l'ordre del polinomi es correlaciona amb la precisió de les funcions de forma del domini de camp - ordres superiors caracteritzen millor les propietats del camp. Per a aquest model, es va adoptar un polinomi d'ordre 2, amb un màxim de 20 iteracions, un error d'iteració del 0,5% i un error de gradient conjugat del 0,01%.
Per provar la impedància de seqüència zero del transformador de terra mitjançant el mètode de couplig camp-circuit: aplicar la corrent nòminal d'alta tensió (27,59 A de pic pel programari) al punt neutre, mantenir el costat de baixa tensió obert i mesurar la tensió.
2.3 Mesura de la Impedància de Seqüència Zero
La impedància de seqüència zero es mesura entre els terminals de línia i el terminal neutre del transformador de terra a la freqüència nòminal (com es mostra a la Figura 5), expressada en ohms per fase. El seu valor es calcula com 3U/I (on U és la tensió de prova i I és la corrent de prova). Durante la mesura, es fa passar una corrent nòminal de 19,5 A als terminals de línia, i es mesura una tensió de 443,3 V entre els terminals de línia i el punt neutre. La impedància de seqüència zero calculada és de 68,2 Ω.
2.4 Anàlisi Comparativa dels Valors Calculats, Simulats i Mesurats
Els paràmetres de rendiment principals es comparen a la Taula 2. Els resultats mostren que tant la impedància de seqüència zero calculada com la simulada del transformador de terra són properes al valor mesurat, amb desviacions del 3,5% i el 0,88% respectivament. Els resultats de la simulació del programari electromagnètic són més propers als valors mesurats. Els resultats de l'anàlisi del camp magnètic ajuden a comprendre clarament les característiques de la distribució del camp magnètic del producte en aquesta condició de treball, que es pot utilitzar per optimitzar el disseny electromagnètic i estructural del producte basant-se en les característiques de la distribució del camp magnètic.
Els resultats de la simulació del camp magnètic obtinguts amb el programari electromagnètic estan més alineats amb els valors mesurats. Amb l'ajuda dels resultats de l'anàlisi del camp magnètic, es pot comprendre més clarament les característiques de la distribució del camp magnètic del producte en aquesta condició de treball, i així es pot portar a terme un disseny electromagnètic i estructural específic del producte.
3.Conclusió
La impedància de seqüència zero és un paràmetre clau dels transformadors de terra, amb exigències estrictes de desviació per part dels usuaris. Quan es calcula amb fórmules empíriques tradicionals en enginyeria, cal corregir els coeficients empírics, que depenen molt de l'experiència dels dissenyadors i difícilment asseguren la precisió.
Per millorar la precisió, aquest article utilitza programari de simulació per a l'anàlisi del camp magnètic, compara amb els resultats de les fórmules empíriques i verifica a través de proves. Els resultats de la simulació són precisos i poden satisfer les necessitats d'enginyeria.
