Nulrækkeimpedans Karakterisering af tørt grundforbindelsestransformator med ZN-forbindelse

I et neutralt isoleret trefase strømsystem leverer en jordings-transformator et kunstigt neutralpunkt, som kan være solidt jordet eller jordet via reaktorer/bueundertrykkelseskøiler. ZNyn11-forbindelsen er typisk, hvor nulsekvens magnetomotivkræfter i de indre/udervindende halv-vindinger på samme kerne-stolpe udligner hinanden, hvilket balancerer fejlstrømme i serie vindinger og minimaliserer nulsekvens leckage-flux/impedans.

Nulsekvens impedans er kritisk: den bestemmer fejlstrømmens størrelse og spændingsfordelingen phase-til-jord i impedansjordede systemer.

1. Egenskaber for ZN-forbundne jordings-transformatorer

Selvom YNd11-forbundne transformatorer kan bruges, foretrækkes ZNyn11 (Fig. 1). De vigtigste forskelle:

• YNd11 afhænger af delta-cirkulerende strømme for balance, hvilket reducerer udgangskapaciteten.

• ZNyn11 bruger serie-vinding magnete kobling til at balancere fejlstrømme uden kapacitets tab, hvilket fører til bredere anvendelse.

Under enefase jordfejl begrænser valg af passende jordings-impedans fase kortslutningsstrømme til at ligge inden for hovedtransformatorens nominale fasestrøm.

2. Analyse af nulsekvens impedans for ZN-forbundne jordings-transformatorer

De vigtigste tekniske parametre for analysemødel for jordings-transformatoren vises i Tabel 1, med tilladte afvigelse for nulsekvens impedans på ±7.5%.

2.1 Beregning af nulsekvens impedans ved hjælp af traditionel empirisk formel

Som vist i figur 2 (jordings-transformator vindingsopstilling), defineres nulsekvens impedans som forholdet mellem spændingsfaldet i en fase til fejlstrømmen, når fejlstrømmen går igennem alle tre faser samtidigt. For beregningen følger X₀ impedansprincippet for almindelige dobbeltvindinge krafttransformatorer (Ligning 1).

I formlen repræsenterer W antallet af vindingsomdrejninger. For en vinding med ZN-forbindelse er W antallet af omdrejninger i halv-vindingen; ∑aR angiver det equivalente leckage-flux areal. For en vinding med ZN-forbindelse er det det equivalente leckage-flux areal for de to halv-vindinger; ρ er Rogowski-koefficienten; H er vindingens reaktanshøjde.

Ved at indsætte data fra Tabel 1 i Ligning (1) beregnes nulsekvens impedansen til 70.6 Ω.

2.2 Analyse af nulsekvens impedans ved hjælp af elektromagnetisk software

Infolytica's Magnet elektromagnetiske software blev anvendt til magnetfeltanalyse. Et 3D forenklet model blev oprettet baseret på produktets strukturelle egenskaber, som vist i figur 3. Softwaren bruger en T-Ω potentiell gruppe løsningsalgoritme med laminerede elementer ved hjælp af 1. til 3. orden interpolationspolynomier.

Finite element analyse (FEA) er en numerisk beregningsmetode baseret på variationsprincipper og maskeinterpolation. Den omdanner først randværdiproblemet til et tilsvarende variationsproblem (dvs. et ekstremumproblem for en funktional) ved hjælp af variationsprincipper, derefter diskretiserer variationsproblemet til et ekstremumproblem for en almindelig multivariabel funktion gennem maskeinterpolation, og endelig reducerer det til et sæt multivariabel algebraiske ligninger for at løse den numeriske løsning. Under analysen blev maskedelingerne sat som følger: luft på 80, jernkerne på 30, og vindinger på 15. Produktets maskeoversigt er detaljeret i figur 4.

I finite element algoritmer korrelerer polynomiumsorden med præcisionen af felt-domæneformfunktioner - højere ordener karakteriserer felt-egenskaber bedre. For dette model blev en 2. ordens polynomium anvendt, med maksimalt 20 iterationer, en 0.5% iterationsfejl, og en 0.01% konjugeret gradientfejl.

For at teste nulsekvens impedansen for jordings-transformatoren ved hjælp af felt-kredsslutningsmetoden: Anvend den høje spændings nominale strøm (27.59 A top for software) på neutralpunktet, hold lavspændings siden åben-sluttede, og mål spændingen.

2.3 Måling af nulsekvens impedans

Nulsekvens impedans måles mellem lineterminalerne og neutralterminalen på jordings-transformatoren ved nominale frekvens (som vist i figur 5), udtrykt i ohm per fase. Dens værdi beregnes som 3U/I (hvor U er testspændingen og I er teststrømmen). Under målingen anvendes en nominel strøm på 19.5 A på lineterminalerne, og spændingen mellem lineterminalerne og neutralpunktet måles som 443.3 V. Den beregnede nulsekvens impedans er 68.2 Ω.

2.4 Sammenlignende analyse af beregnede, simulerede og målte værdier

De vigtigste ydeevneparametre sammenlignes i Tabel 2. Resultaterne viser, at både de beregnede og simulerede nulsekvens impedanser for jordings-transformatoren ligger tæt på den målte værdi, med afvigelser på 3.5% og 0.88% henholdsvis. Simuleringsresultaterne fra elektromagnetisk software er tættere på de målte værdier. Magnetfeltanalyseresultaterne hjælper med at forstå produktets magnetfeltsfordelingskarakteristikker under denne arbejdssituation tydeligt, hvilket kan bruges til at optimere produktets elektromagnetiske design og strukturdesign baseret på magnetfeltsfordelingskarakteristikker.

Magnetfelt-simuleringsresultaterne opnået ved hjælp af elektromagnetisk software er mere tæt på de målte værdier. Med hjælp fra magnetfeltanalyseresultater kan produktets magnetfeltsfordelingskarakteristikker under denne arbejdssituation forstås mere tydeligt, og dermed kan der udføres målrettede elektromagnetiske design og strukturdesign af produktet.

3. Konklusion

Nulsekvens impedans er en nøgleparameter for jordings-transformatorer, med strenge afvigelseskrav fra brugere. Når man beregner med traditionelle empiriske formler i ingeniørarbejde, er det nødvendigt at rette empiriske koefficienter, hvilket stærkt afhænger af designernes erfaring og kan knapt sikre præcision.

For at forbedre præcisionen anvender denne artikel simulationssoftware til magnetfeltanalyse, sammenligner med resultater fra empiriske formler, og bekræfter gennem tests. Simuleringsresultaterne er præcise og kan opfylde ingeniørbehov.