Nullfolgenimpedanzaufschlüsselung eines trockenwandlers mit ZN-Anordnung

In einem neutral isolierten dreiphasigen Stromsystem bietet ein Erdtransformator einen künstlichen Neutralpunkt, der fest oder über Drosseln/Bogenunterdrückungskondensatoren geerdet werden kann. Die ZNyn11-Verbindung ist typisch, bei der die Nullfolgenmagnetomotive Kräfte in den inneren/äußeren Halbwicklungen desselben Stabkerns sich aufheben, wodurch die Fehlerströme in den Reihenwicklungen ausbalanciert und der Nullfolgenleckfluss/Widerstand minimiert werden.

Der Nullfolgenwiderstand ist entscheidend: Er bestimmt die Größe des Fehlerstroms und die Spannungsverteilung Phase-Erde in erdenden Systemen mit Widerstand.

1. Merkmale von Erdtransformatoren mit ZN-Verbindung

Während YNd11-verbundene Transformatoren verwendet werden können, wird ZNyn11 bevorzugt (Abbildung 1). Hauptunterschiede:

• YNd11 basiert auf Delta-Umlaufströmen zur Ausgleichung, was die Ausgangskapazität reduziert.

• ZNyn11 nutzt magnetische Kopplung in Reihenwicklungen für den Ausgleich von Fehlerströmen ohne Kapazitätsverlust, daher eine breitere Anwendung.

Bei Einphasen-Erdschlüssen begrenzt die Auswahl eines geeigneten Erdwiderstands die Phasenkurzschlussströme auf das Nennstrommaximum des Hauptschalters.

2. Analyse des Nullfolgenwiderstands von Erdtransformatoren mit ZN-Verbindung

Die Haupttechnischen Parameter des Erdtransformatoranalysemusters sind in Tabelle 1 dargestellt, wobei die zulässige Abweichung des Nullfolgenwiderstands innerhalb von ±7,5 % liegen muss.

2.1 Berechnung des Nullfolgenwiderstands mittels traditioneller empirischer Formel

Wie in Abbildung 2 (Erdtransformatorwicklungsanordnung) dargestellt, wird der Nullfolgenwiderstand definiert als das Verhältnis des Spannungsabfalls in einer Phase zum Fehlerstrom, wenn der Fehlerstrom gleichzeitig durch alle drei Phasen fließt. Für die Berechnung folgt X₀ dem Widerstandsprinzip gewöhnlicher Doppeldraht-Stromtransformatoren (Gleichung 1).

In der Formel repräsentiert W die Anzahl der Wicklungsdrehungen. Für eine Wicklung mit ZN-Verbindung ist W die Anzahl der Drehungen der Halb-Wicklung; ∑aR bezeichnet die äquivalente Leckflussfläche. Für eine Wicklung mit ZN-Verbindung ist es die äquivalente Leckflussfläche der beiden Halb-Wicklungen; ρ ist der Rogowskikoeffizient; H ist die Induktionshöhe der Wicklung.

Durch Einsetzen der Daten aus Tabelle 1 in Gleichung (1) ergibt sich ein berechneter Nullfolgenwiderstand von 70,6 Ω.

2.2 Analyse des Nullfolgenwiderstands mittels elektromagnetischer Software

Für die Magnetfeldanalyse wurde die Infolytica-Magnet-Software eingesetzt. Ein vereinfachtes 3D-Modell wurde auf Basis der strukturellen Eigenschaften des Produkts erstellt, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Software verwendet einen T-Ω-Potentialgruppenlösalgorithmus mit gefalteten Elementen, die 1. bis 3. Ordnung Interpolationspolynome verwenden.

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist eine numerische Berechnungsmethode, die auf dem Variationsprinzip und der Netzinterpolation beruht. Sie transformiert zunächst das Randwertproblem in ein entsprechendes Variationsproblem (d.h. ein Extremalproblem einer Funktionalen) mithilfe des Variationsprinzips, diskretisiert dann das Variationsproblem in ein Extremalproblem einer allgemeinen mehrdimensionalen Funktion durch Netzinterpolation und reduziert es schließlich auf ein Set von mehrdimensionalen algebraischen Gleichungen zur Lösung des numerischen Wertes. Während der Analyse wurden die Netzteilungen wie folgt eingestellt: Luft 80, Eisenkern 30 und Wicklungen 15. Das Netzdiagramm des Produkts ist in Abbildung 4 detailliert dargestellt.

In Finite-Elemente-Algorithmen korreliert die Polynomordnung mit der Genauigkeit der Feldbereichsformfunktionen - höhere Ordnungen charakterisieren die Felder besser. Für dieses Modell wurde ein Polynom zweiter Ordnung verwendet, mit einer maximalen Anzahl von 20 Iterationen, einem Iterationsfehler von 0,5 % und einem konjugierten Gradientenfehler von 0,01 %.

Um den Nullfolgenwiderstand des Erdtransformators mittels Feld-Schaltungskopplung zu testen: Wenden Sie den Nennstrom (27,59 A Spitze für die Software) am Neutralpunkt an, lassen Sie die Niederspannungsseite offen, und messen Sie die Spannung.

2.3 Messung des Nullfolgenwiderstands

Der Nullfolgenwiderstand wird zwischen den Linienanschlüssen und dem Neutralanschluss des Erdtransformators bei Nennfrequenz gemessen (wie in Abbildung 5 dargestellt), in Ohm pro Phase ausgedrückt. Sein Wert wird als 3U/I berechnet (wo U die Prüfspannung und I der Prüfstrom ist). Während der Messung wird ein Nennstrom von 19,5 A an den Linienanschlüssen angelegt, und die Spannung zwischen den Linienanschlüssen und dem Neutralpunkt wird als 443,3 V gemessen. Der berechnete Nullfolgenwiderstand beträgt 68,2 Ω.

2.4 Vergleichende Analyse der berechneten, simulierten und gemessenen Werte

Die Hauptleistungsparameter werden in Tabelle 2 verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl der berechnete als auch der simulierte Nullfolgenwiderstand des Erdtransformators nahe am gemessenen Wert liegen, mit Abweichungen von 3,5 % und 0,88 % jeweils. Die Simulationsergebnisse der elektromagnetischen Software liegen näher an den gemessenen Werten. Die Ergebnisse der Magnetfeldanalyse helfen, die magnetfeldverteilungseigenschaften des Produkts unter diesen Arbeitsbedingungen klar zu verstehen, was zur Optimierung der elektromagnetischen und strukturellen Gestaltung des Produkts auf Basis der magnetfeldverteilungseigenschaften genutzt werden kann.

Die durch elektromagnetische Software erzielten Magnetfeldsimulationsresultate stimmen enger mit den gemessenen Werten überein. Mit Hilfe der Magnetfeldanalyseergebnisse können die Eigenschaften der magnetfeldverteilung des Produkts unter diesen Arbeitsbedingungen klarer verstanden werden, und somit eine gezielte elektromagnetische und strukturelle Gestaltung des Produkts vorgenommen werden.

3. Schlussfolgerung

Der Nullfolgenwiderstand ist ein entscheidender Parameter von Erdtransformatoren, mit strengen Abweichungsanforderungen seitens der Nutzer. Bei der Berechnung mit traditionellen empirischen Formeln im Ingenieurwesen ist die Korrektur der empirischen Koeffizienten erforderlich, was stark von der Erfahrung der Designer abhängt und kaum die Genauigkeit sicherstellt.

Um die Genauigkeit zu verbessern, verwendet dieser Artikel Simulationssoftware für die Magnetfeldanalyse, vergleicht sie mit den Ergebnissen der empirischen Formeln und überprüft sie durch Tests. Die Simulationsresultate sind genau und können den Anforderungen des Ingenieurwesens gerecht werden.