Caracterización da impedancia de secuencia cero dun transformador de aterramento seco con conexión ZN

Nun un sistema de enerxía trifásico con neutro aislado, un transformador de terra proporciona un punto neutro artificial, que pode estar terrado sólidamente ou terrado a través de reactancias/bobinas supresoras de arco. A conexión ZNyn11 é típica, onde as forzas magnetomotrices de secuencia cero nas meias bobinadas internas/externas da mesma columna de núcleo se cancelan, equilibrando as correntes de fallo nas bobinadas en serie e minimizando o fluxo de fuga de secuencia cero/impedancia.

A impedancia de secuencia cero é crítica: determina a magnitude da corrente de fallo e a distribución de tensión fase-a-terra nos sistemas terrados por impedancia.

1. Características do Transformador de Terra Conectado ZN

Aínda que poidan usarse transformadores conectados YNd11, prefírese ZNyn11 (Fig. 1). As principais diferenzas son:

• YNd11 depende das correntes circulantes no delta para o equilibrio, reducindo a capacidade de saída.

• ZNyn11 utiliza o acoplamento magnético das bobinadas en serie para o equilibrio da corrente de fallo sen perda de capacidade, polo que ten unha maior adopción.

Durante os fallos a terra monofásicos, a selección da impedancia de terra adecuada limita as correntes de curto-circuito de fase dentro da corrente de fase nominal do transformador principal.

2. Análise da Impedancia de Secuencia Cero de Transformadores de Terra Conectados ZN

Os principais parámetros técnicos do modelo de análise do transformador de terra amóstranse na Táboa 1, coa tolerancia de desvío da impedancia de secuencia cero requirendose que estea dentro de ±7,5%.

2.1 Cálculo da Impedancia de Secuencia Cero mediante Fórmula Empírica Tradicional

Como se amosa na Figura 2 (disposición de bobinadas do transformador de terra), a impedancia de secuencia cero defínese como a relación entre a caída de tensión nunha fase e a corrente de fallo cando a corrente de fallo fluye simultaneamente por as tres fases. Para o cálculo, X₀ segue o principio de impedancia dos transformadores de enerxía de dúas bobinadas normais (Equación 1).

Na fórmula, W representa o número de voltas da bobina. Para unha bobina con conexión ZN, W é o número de voltas da meia-bobinada; ∑aR denota a área equivalente de fuxo de fuga. Para unha bobina con conexión ZN, é a área equivalente de fuxo de fuga das dúas meias-bobinadas; ρ é o coeficiente de Rogowski; H é a altura de reacción da bobina.

Substituíndo os datos da Táboa 1 na Equación (1), a impedancia de secuencia cero calculada é de 70,6 Ω.

2.2 Análise da Impedancia de Secuencia Cero mediante Software Electromagnético

Empregouse o software electromagnético Magnet de Infolytica para a análise do campo magnético. Estableceuse un modelo simplificado 3D baseado nas características estruturais do produto, como se amosa na Figura 3. O software utiliza un algoritmo de resolución de grupos de potencial T-Ω con elementos laminados usando polinomios de interpolación de 1º a 3º orde.

A análise de elementos finitos (FEA) é un método de cálculo numérico basado no principio variacional e na interpolación de malla. Primeiro transforma o problema de valor de contorno nun problema variacional correspondente (ou sexa, un problema extremal dun funcional), despois discretiza o problema variacional nun problema extremal dunha función multivariable común a través da interpolación de malla, reduciéndoo finalmente a un conxunto de ecuacións alxébricas multivariables para resolver a solución numérica. Durante a análise, as divisións de malla estableceronse do seguinte xeito: aire a 80, núcleo de ferro a 30, e bobinados a 15. O diagrama de malla do produto amóstrase detalladamente na Figura 4.

Nos algoritmos de elementos finitos, o orde polinomial correlaciona coa precisión das funcións de forma do dominio de campo - ordes superiores caracterizan mellor as propiedades do campo. Para este modelo, adoptouse un polinomio de 2º orde, con un máximo de 20 iteracións, un erro de iteración do 0,5% e un erro de gradiente conjugado do 0,01%.

Para probar a impedancia de secuencia cero do transformador de terra mediante o método de acoplamento campo-circuíto: aplícase a corrente nominal de alta tensión (27,59 A de pico para o software) no punto neutro, mantendo o lado de baixa tensión aberto, e medir a tensión.

2.3 Medición da Impedancia de Secuencia Cero

A impedancia de secuencia cero métrase entre os terminais de liña e o terminal neutro do transformador de terra á frecuencia nominal (como se amosa na Figura 5), expresada en ohms por fase. O seu valor calcula-se como 3U/I (onde U é a tensión de proba e I é a corrente de proba). Durante a medida, aplica-se unha corrente nominal de 19,5 A aos terminais de liña, e a tensión entre os terminais de liña e o punto neutro métrase como 443,3 V. A impedancia de secuencia cero calculada é de 68,2 Ω.

2.4 Análise Comparativa dos Valores Calculados, Simulados e Medidos

Comparamse os principais parámetros de rendemento na Táboa 2. Os resultados amosan que tanto a impedancia de secuencia cero calculada como a simulada do transformador de terra están próximas ao valor medido, con desvíos do 3,5% e do 0,88% respectivamente. Os resultados da simulación do software electromagnético están máis próximos aos valores medidos. Os resultados da análise do campo magnético axudan a entender claramente as características de distribución do campo magnético do produto nesta condición de traballo, que poden utilizarse para optimizar o deseño electromagnético e estructural do produto en función das características de distribución do campo magnético.

Os resultados da simulación do campo magnético obtidos co software electromagnético están máis alineados cos valores medidos. Coa axuda dos resultados da análise do campo magnético, as características de distribución do campo magnético do produto nesta condición de traballo poden entenderse de xeito máis claro, e así realizar un deseño electromagnético e estructural específico do produto.

3. Conclusión

A impedancia de secuencia cero é un parámetro clave dos transformadores de terra, con requisitos estritos de desvío por parte dos usuarios. Ao calcular con fórmulas empíricas tradicionais na enxeñaría, é necesario corrixir os coeficientes empíricos, o que depende fortemente da experiencia dos deseñadores e dificilmente asegura a precisión.

Para mellorar a precisión, neste artigo úsase o software de simulación para a análise do campo magnético, compárase con os resultados das fórmulas empíricas e verifícase mediante probas. Os resultados da simulación son precisos e poden satisfacer as necesidades da enxeñaría.