Caractérisation de l'impédance en séquence zéro d'un transformateur de terre à sec avec connexion ZN
Dans un système triphasé à neutre isolé, un transformateur de terre fournit un point neutre artificiel, qui peut être solidement mis à la terre ou mis à la terre via des réacteurs/bobines d'extinction d'arc. La connexion ZNyn11 est typique, où les forces magnétomotrices de séquence nulle dans les moitiés de bobinage intérieures/extérieures de la même colonne de noyau s'annulent, équilibrant les courants de défaut dans les enroulements en série et minimisant le flux/impédance de fuite de séquence nulle.
L'impédance de séquence nulle est cruciale : elle détermine l'amplitude du courant de défaut et la distribution de la tension phase-terre dans les systèmes mis à la terre par impédance.
1. Caractéristiques des transformateurs de terre à connexion ZN
Bien que les transformateurs à connexion YNd11 puissent être utilisés, la connexion ZNyn11 est préférée (Fig. 1). Les principales différences sont :
Lors des défauts de terre monophasés, la sélection d'une impédance de terre appropriée limite les courants de court-circuit de phase à l'intérieur du courant de phase nominal du transformateur principal.
2. Analyse de l'impédance de séquence nulle des transformateurs de terre à connexion ZN
Les principaux paramètres techniques du modèle d'analyse du transformateur de terre sont présentés dans le tableau 1, avec une tolérance d'impédance de séquence nulle requise de ±7,5 %.
2.1 Calcul de l'impédance de séquence nulle par formule empirique traditionnelle
Comme indiqué dans la Figure 2 (disposition des enroulements du transformateur de terre), l'impédance de séquence nulle est définie comme le rapport de la chute de tension dans une phase au courant de défaut lorsque le courant de défaut traverse simultanément les trois phases. Pour le calcul, X0 suit le principe d'impédance des transformateurs électriques à double enroulement ordinaires (Équation 1).
Dans la formule, W représente le nombre de spires. Pour un enroulement avec connexion ZN, W est le nombre de spires de la demi-bobine ; ∑aR désigne la surface de flux de fuite équivalente. Pour un enroulement avec connexion ZN, il s'agit de la surface de flux de fuite équivalente des deux demi-bobines ; ρ est le coefficient de Rogowski ; H est la hauteur de réactance de l'enroulement.
En substituant les données du tableau 1 dans l'équation (1), l'impédance de séquence nulle calculée est de 70,6 Ω.
2.2 Analyse de l'impédance de séquence nulle par logiciel électromagnétique
Le logiciel électromagnétique Magnet d'Infolytica a été utilisé pour l'analyse du champ magnétique. Un modèle simplifié 3D a été établi sur la base des caractéristiques structurelles du produit, comme illustré dans la Figure 3. Le logiciel utilise un algorithme de résolution de groupe T-Ω avec des éléments stratifiés utilisant des polynômes d'interpolation d'ordre 1 à 3.
L'analyse par éléments finis (FEA) est une méthode de calcul numérique basée sur le principe variationnel et l'interpolation par maillage. Elle transforme d'abord le problème aux limites en un problème variationnel correspondant (c'est-à-dire un problème d'extrémum d'une fonctionnelle) en utilisant le principe variationnel, puis discrétise le problème variationnel en un problème d'extrémum d'une fonction multivariée commune par interpolation de maillage, réduisant finalement le tout à un ensemble d'équations algébriques multivariées pour résoudre la solution numérique. Lors de l'analyse, les divisions de maillage ont été définies comme suit : air à 80, noyau de fer à 30, et enroulements à 15. Le diagramme de maillage du produit est détaillé dans la Figure 4.
Dans les algorithmes d'éléments finis, l'ordre polynomial est corrélé avec la précision des fonctions de forme de domaine de champ - des ordres plus élevés caractérisent mieux les propriétés du champ. Pour ce modèle, un polynôme d'ordre 2 a été adopté, avec un maximum de 20 itérations, une erreur d'itération de 0,5 % et une erreur de gradient conjugué de 0,01 %.
Pour tester l'impédance de séquence nulle du transformateur de terre par la méthode de couplage champ-circuit : appliquer le courant nominal haute tension (27,59 A crête pour le logiciel) au point neutre, garder le côté basse tension ouvert, et mesurer la tension.
2.3 Mesure de l'impédance de séquence nulle
L'impédance de séquence nulle est mesurée entre les bornes de ligne et la borne neutre du transformateur de terre à la fréquence nominale (comme indiqué dans la Figure 5), exprimée en ohms par phase. Sa valeur est calculée comme 3U/I (où U est la tension de test et I est le courant de test). Lors de la mesure, un courant nominal de 19,5 A est appliqué aux bornes de ligne, et la tension entre les bornes de ligne et le point neutre est mesurée à 443,3 V. L'impédance de séquence nulle calculée est de 68,2 Ω.
2.4 Analyse comparative des valeurs calculées, simulées et mesurées
Les principaux paramètres de performance sont comparés dans le tableau 2. Les résultats montrent que les impédances de séquence nulle calculées et simulées du transformateur de terre sont proches de la valeur mesurée, avec des écarts de 3,5 % et 0,88 % respectivement. Les résultats de simulation du logiciel électromagnétique sont plus proches des valeurs mesurées. Les résultats de l'analyse du champ magnétique aident à comprendre clairement les caractéristiques de distribution du champ magnétique du produit dans cette condition de travail, ce qui peut être utilisé pour optimiser la conception électromagnétique et structurelle du produit en fonction des caractéristiques de distribution du champ magnétique.
Les résultats de simulation du champ magnétique obtenus par le logiciel électromagnétique sont plus étroitement alignés avec les valeurs mesurées. Grâce aux résultats de l'analyse du champ magnétique, les caractéristiques de la distribution du champ magnétique du produit dans cette condition de travail peuvent être mieux comprises, permettant ainsi une conception électromagnétique et structurelle ciblée du produit.
3. Conclusion
L'impédance de séquence nulle est un paramètre clé des transformateurs de terre, avec des exigences strictes de tolérance de la part des utilisateurs. Lors du calcul avec des formules empiriques traditionnelles en ingénierie, il est nécessaire de corriger les coefficients empiriques, ce qui dépend fortement de l'expérience des concepteurs et ne garantit pas la précision.
Pour améliorer la précision, cet article utilise un logiciel de simulation pour l'analyse du champ magnétique, compare avec les résultats des formules empiriques et vérifie par des tests. Les résultats de la simulation sont précis et peuvent répondre aux besoins de l'ingénierie.
