Charakterizace nulové sekvenční impedance suchého zazemňovacího transformátoru s připojením ZN
V neutrálně izolovaném třífázovém elektrickém systému poskytuje zazemňovací transformátor umělý neutrální bod, který může být pevně zazemněn nebo zazemněn přes reaktory/duhy potlačující oblouk. Připojení ZNyn11 je typické, kde se nulové magnetomotorické síly ve vnitřních/vnějších polovinách cívek na stejném jádrové sloupci vyrušují, vyrovnávají proudy v poruchách v sériových cívkách a minimalizují nulový únikový tok/impedanci.
Nulová impedancia je klíčová: určuje velikost proudu v poruchách a rozdělení fázového napětí k zemi v zazemněných systémech s impedancí.
1. Vlastnosti zazemňovacích transformátorů s připojením ZN
Ačkoli lze použít transformátory s připojením YNd11, preferuje se ZNyn11 (Obr. 1). Klíčové rozdíly:
Při jednofázových zemních poruchách volbou vhodné zazemňovací impedancí omezíme fázové krátkozavětové proudy na hodnotu nižší než nominální fázový proud hlavního transformátoru.
2. Analýza nulové impedancie zazemňovacích transformátorů s připojením ZN
Hlavní technické parametry analytického modelu zazemňovacího transformátoru jsou uvedeny v Tabulce 1, s povoleným odchodem nulové impedancie do ±7,5%.
2.1 Výpočet nulové impedancie pomocí tradiční empirické formule
Jak je znázorněno na Obrázku 2 (uspořádání civek zazemňovacího transformátoru), nulová impedance je definována jako poměr poklesu napětí v jedné fázi k proudu v poruchě, když proudu v poruchách protéká současně všechny tři fáze. Pro výpočet platí, že X0 sleduje princip impedancí obyčejných dvojcivekových transformátorů (Rovnice 1).
V rovnici W znamená počet otáček cívky. Pro cívku s připojením ZN je W počet otáček půlcívky; ∑aR označuje ekvivalentní plochu únikového toku. Pro cívku s připojením ZN je to ekvivalentní plocha únikového toku dvou půlcivek; ρ je koeficient Rogowského; H je induktivní výška cívky.
Dosazením dat z Tabulky 1 do Rovnice (1) byla vypočtena nulová impedace 70,6 Ω.
2.2 Analýza nulové impedancie pomocí elektromagnetického software
Pro analýzu magnetického pole byl použit software Magnet od společnosti Infolytica. Byl vytvořen zjednodušený 3D model na základě strukturních charakteristik produktu, jak je znázorněno na Obrázku 3. Software používá algoritmus pro řešení skupiny T-Ω potenciálů s laminovanými prvky pomocí interpolačních polynomů 1. až 3. řádu.
Metoda konečných prvků (FEA) je numerická výpočetní metoda založená na variačním principu a interpolaci sítí. Nejprve transformuje okrajovou úlohu na odpovídající variační problém (tj. extrémový problém funkcionálu) pomocí variačního principu, pak diskretizuje variační problém na extrémový problém běžné funkce více proměnných prostřednictvím interpolace sítí, nakonec ho redukuje na sadu algebraických rovnic pro více proměnných pro nalezení numerického řešení. Během analýzy byly nastaveny dělení sítě následovně: vzduch 80, železné jádro 30 a cívky 15. Podrobný diagram sítě produktu je uveden na Obrázku 4.
V algoritmech konečných prvků je stupeň polynomu spojen s přesností tvarových funkcí pole – vyšší stupně lépe charakterizují vlastnosti pole. Pro tento model byl použit polynom 2. řádu, s maximálně 20 iteracemi, chybou iterace 0,5 % a chybou konjugovaného gradientu 0,01 %.
Pro testování nulové impedancie zazemňovacího transformátoru metodou vazby pole a obvodu: aplikujte nominální proud (vrcholový 27,59 A pro software) na neutrální bod, držte nízkovoltovou stranu otevřenou a změřte napětí.
2.3 Měření nulové impedancie
Nulová impedance se měří mezi linkovými terminály a neutrálním terminálem zazemňovacího transformátoru v nominální frekvenci (jak je znázorněno na Obrázku 5), vyjádřena v ohmech na fázi. Její hodnota se vypočítá jako 3U/I (kde U je zkoušební napětí a I je zkoušební proud). Během měření se na linkové terminály aplikoval nominální proud 19,5 A a napětí mezi linkovými terminály a neutrálním bodem bylo změřeno 443,3 V. Vypočtená nulová impedance je 68,2 Ω.
2.4 Srovnávací analýza vypočtených simulovaných a změřených hodnot
Hlavní výkonnostní parametry jsou srovnány v Tabulce 2. Výsledky ukazují, že jak vypočtená, tak simulovaná nulová impedancia zazemňovacího transformátoru jsou blízko změřené hodnotě, s odchylkami 3,5 % a 0,88 %, respektive. Simulační výsledky z elektromagnetického softwaru jsou blíže k změřeným hodnotám. Výsledky analýzy magnetického pole pomáhají jasně chápat charakteristiky distribuce magnetického pole produktu v této pracovní podmínce, což lze použít k optimalizaci elektromagnetického a strukturního návrhu produktu na základě charakteristik distribuce magnetického pole.
Simulační výsledky získané elektromagnetickým softwarem jsou více shodné s změřenými hodnotami. S pomocí výsledků analýzy magnetického pole lze charakteristiky distribuce magnetického pole produktu v této pracovní podmínce lépe pochopit a tedy provést cílený elektromagnetický a strukturní návrh produktu.
3. Závěr
Nulová impedance je klíčový parametr zazemňovacích transformátorů, s přísnými požadavky na odchylku od uživatelů. Při výpočtu tradičními empirickými formulami v inženýrství je třeba opravit empirické koeficienty, což silně závisí na zkušenostech návrhářů a obtížně zajišťuje přesnost.
Pro zlepšení přesnosti tato práce používá simulační software pro analýzu magnetického pole, porovnává s výsledky empirických formul a ověřuje prostřednictvím zkoušek. Simulační výsledky jsou přesné a splňují potřeby inženýrství.
