Caracterización de la Impedancia de Secuencia Cero de un Transformador de Puesta a Tierra Seco con Conexión ZN

En un sistema de potencia trifásico con neutro aislado, un transformador de tierra proporciona un punto neutro artificial, que puede estar conectado a tierra sólidamente o a través de reactancias/bobinas de supresión de arco. La conexión ZNyn11 es típica, donde las fuerzas magnéticas de secuencia cero en las mitades internas/externas de la misma columna de núcleo se anulan, equilibrando las corrientes de falla en los devanados en serie y minimizando el flujo/impedancia de secuencia cero de fuga.

La impedancia de secuencia cero es crucial: determina la magnitud de la corriente de falla y la distribución de tensión fase-tierra en sistemas conectados a tierra por impedancia.

1. Características del Transformador de Tierra Conectado ZN

Aunque se pueden usar transformadores conectados YNd11, se prefiere ZNyn11 (Fig. 1). Las principales diferencias son:

• YNd11 depende de las corrientes circulantes en delta para el equilibrio, reduciendo la capacidad de salida.

• ZNyn11 utiliza el acoplamiento magnético en devanados en serie para el equilibrio de la corriente de falla sin pérdida de capacidad, por lo que tiene una adopción más amplia.

Durante las fallas a tierra monofásicas, seleccionar la impedancia de tierra adecuada limita las corrientes de cortocircuito de fase dentro de la corriente de fase nominal del transformador principal.

2. Análisis de Impedancia de Secuencia Cero de Transformadores de Tierra Conectados ZN

Los principales parámetros técnicos del modelo de análisis del transformador de tierra se muestran en la Tabla 1, con la desviación permitida de la impedancia de secuencia cero requerida dentro de ±7.5%.

2.1 Cálculo de Impedancia de Secuencia Cero mediante Fórmula Empírica Tradicional

Como se muestra en la Figura 2 (disposición de los devanados del transformador de tierra), la impedancia de secuencia cero se define como la relación entre la caída de tensión en una fase y la corriente de falla cuando la corriente de falla fluye simultáneamente a través de las tres fases. Para el cálculo, X₀ sigue el principio de impedancia de los transformadores de potencia de doble bobinado ordinarios (Ecuación 1).

En la fórmula, W representa el número de vueltas del devanado. Para un devanado con conexión ZN, W es el número de vueltas de la media-bobina; ∑aR denota el área de flujo de fuga equivalente. Para un devanado con conexión ZN, es el área de flujo de fuga equivalente de las dos media-bobinas; ρ es el coeficiente de Rogowski; H es la altura de reactivancia del devanado.

Sustituyendo los datos de la Tabla 1 en la Ecuación (1), la impedancia de secuencia cero calculada es de 70.6 Ω.

2.2 Análisis de Impedancia de Secuencia Cero mediante Software Electromagnético

Se utilizó el software electromagnético Magnet de Infolytica para el análisis de campo magnético. Se estableció un modelo simplificado 3D basado en las características estructurales del producto, como se muestra en la Figura 3. El software utiliza un algoritmo de resolución de grupos de potencial T-Ω con elementos laminados utilizando polinomios de interpolación de 1er a 3er orden.

El análisis por elementos finitos (FEA) es un método de cálculo numérico basado en el principio variacional y la interpolación de malla. Primero transforma el problema de valor de frontera en un problema variacional correspondiente (es decir, un problema extremo de una funcional) utilizando el principio variacional, luego discretiza el problema variacional en un problema extremo de una función multivariable común a través de la interpolación de malla, finalmente lo reduce a un conjunto de ecuaciones algebraicas multivariables para resolver la solución numérica. Durante el análisis, las divisiones de la malla se configuraron de la siguiente manera: aire a 80, núcleo de hierro a 30 y devanados a 15. El diagrama de malla del producto se detalla en la Figura 4.

En los algoritmos de elementos finitos, el orden polinomial se correlaciona con la precisión de las funciones de forma del dominio de campo - órdenes más altos caracterizan mejor las propiedades del campo. Para este modelo, se adoptó un polinomio de 2º orden, con un máximo de 20 iteraciones, un error de iteración del 0.5% y un error de gradiente conjugado del 0.01%.

Para probar la impedancia de secuencia cero del transformador de tierra mediante el método de acoplamiento campo-circuito: aplicar la corriente nominal de alta tensión (27.59 A pico para el software) en el punto neutro, mantener el lado de baja tensión abierto y medir la tensión.

2.3 Medición de Impedancia de Secuencia Cero

La impedancia de secuencia cero se mide entre los terminales de línea y el terminal neutro del transformador de tierra a la frecuencia nominal (como se muestra en la Figura 5), expresada en ohmios por fase. Su valor se calcula como 3U/I (donde U es la tensión de prueba e I es la corriente de prueba). Durante la medición, se aplica una corriente nominal de 19.5 A a los terminales de línea, y se mide la tensión entre los terminales de línea y el punto neutro como 443.3 V. La impedancia de secuencia cero calculada es de 68.2 Ω.

2.4 Análisis Comparativo de Valores Calculados, Simulados y Medidos

Los principales parámetros de rendimiento se comparan en la Tabla 2. Los resultados muestran que tanto la impedancia de secuencia cero calculada como simulada del transformador de tierra están cerca del valor medido, con desviaciones del 3.5% y 0.88% respectivamente. Los resultados de la simulación del software electromagnético están más cerca de los valores medidos. Los resultados del análisis de campo magnético ayudan a comprender claramente las características de la distribución del campo magnético del producto bajo esta condición de trabajo, lo que se puede utilizar para optimizar el diseño electromagnético y estructural del producto basándose en las características de la distribución del campo magnético.

Los resultados de la simulación de campo magnético obtenidos por el software electromagnético están más alineados con los valores medidos. Con la ayuda de los resultados del análisis de campo magnético, se pueden entender más claramente las características de la distribución del campo magnético del producto bajo esta condición de trabajo, y así se puede realizar un diseño electromagnético y estructural específico del producto.

3. Conclusión

La impedancia de secuencia cero es un parámetro clave de los transformadores de tierra, con estrictos requisitos de desviación por parte de los usuarios. Al calcular con fórmulas empíricas tradicionales en ingeniería, se necesita corregir los coeficientes empíricos, lo cual depende en gran medida de la experiencia de los diseñadores y rara vez asegura la precisión.

Para mejorar la precisión, este documento utiliza software de simulación para el análisis de campo magnético, compara con los resultados de fórmulas empíricas y verifica a través de pruebas. Los resultados de la simulación son precisos y pueden satisfacer las necesidades de ingeniería.