Karakterizacija nultog reda impedancije suhoj zemljnoj transformatoru s ZN spojem
U neutralno izoliranom trofaznom sustavu snage, transformator za zemljenje pruža umjetnu neutralnu točku, koja može biti čvrsto zemljena ili zemljena preko reaktora/koila za potlačenje lukova. ZNyn11 spoj je tipičan, gdje se nultostrujni magnetni motivi unutarnjih/spoljnijih poluvitkova na istoj stubnoj osnovi poništavaju, balansiraju struja u serijalnim vitkovima i smanjuju nultostrujnu curenju/impedanciju.
Nultostrujna impedancija je ključna: ona određuje magnitudu struje greške i raspodjelu napona faza-prema-zemlji u sistemima sa impedančnim zemljenjem.
1. Značajke transformatora za zemljenje sa ZN spojem
Iako se mogu koristiti transformatori sa YNd11 spojem, preferira se ZNyn11 (Slika 1). Ključne razlike:
Tijekom jednofaznih zemljanih grešaka, odabir odgovarajuće impedancije za zemljenje ograničava struju kratkog spoja faze unutar nominiranog strujnog toka glavnog transformatora.
2. Analiza nultostrujne impedancije transformatora za zemljenje sa ZN spojem
Glavni tehnički parametri modela za analizu transformatora za zemljenje prikazani su u Tablici 1, s dopuštenim odstupanjem nultostrujne impedancije unutar ±7,5%.
2.1 Izračun nultostrujne impedancije putem tradicionalne empirijske formule
Kao što je prikazano na Slici 2 (raspored vitkova transformatora za zemljenje), nultostrujna impedancija definirana je kao omjer padanja napona u jednoj fazi i struje greške kada struja greške teče kroz sve tri faze istodobno. Za izračun, \(X_0\) slijedi princip impedancije običnih dvovitkovih transformatora snage (Jednadžba 1).
U formuli, W predstavlja broj navijanja. Za vitak sa ZN spojem, W je broj navijanja poluvitka; \(\sum a_{\text{R}}\) označava ekvivalentnu površinu curenja. Za vitak sa ZN spojem, to je ekvivalentna površina curenja dva poluvitka; ρ je Rogowski koeficijent; H je visina reaktivnosti vitka.
Umetanjem podataka iz Tablice 1 u Jednadžbu (1), izračunata nultostrujna impedancija iznosi 70,6 Ω.
2.2 Analiza nultostrujne impedancije putem elektromagnetskog softvera
Za analizu magnetskog polja upotrijebljen je elektromagnetski softver Magnet od Infolytica. Stvorena je 3D pojednostavljena model na temelju strukturnih karakteristika proizvoda, kao što je prikazano na Slici 3. Softver koristi T-Ω metodu rješavanja potencijala s laminskim elementima koristeći interpolacijske polinome prvog do trećeg reda.
Metoda konačnih elemenata (FEA) je numerička metoda računanja temeljena na varijacionom principu i mrežnoj interpolaciji. Prvo pretvara problem graničnih vrijednosti u odgovarajući varijacioni problem (tj. ekstremalni problem funkcionala) koristeći varijacioni princip, zatim diskretizira varijacioni problem u ekstremalni problem obične multivarijabilne funkcije putem mrežne interpolacije, na kraju ga svede na skup multivarijabilnih algebarskih jednadžbi za rješavanje numeričkog rješenja. Tijekom analize, podjele mreže postavljene su ovako: zrak na 80, željezni jezgra na 30, a vitkovi na 15. Detaljan dijagram mreže proizvoda prikazan je na Slici 4.
U algoritmima konačnih elemenata, red polinoma korelira s točnošću funkcija oblika polja – viši redovi bolje opisuju osobine polja. Za ovaj model upotrijebljen je polinom drugog reda, s maksimalno 20 iteracija, greškom iteracije od 0,5% i greškom konjugiranog gradijenta od 0,01%.
Za testiranje nultostrujne impedancije transformatora za zemljenje putem metode vezivanja polja i kruga: primijenite nominirani strujni tok visokog napona (vrhovni tok od 27,59 A u softveru) na neutralnoj točki, održavajte niskonaponski dio otvorenim krugom, i izmjerite napon.
2.3 Mjerenje nultostrujne impedancije
Nultostrujna impedancija mjerenja između linijskih terminala i neutralnog terminala transformatora za zemljenje na nominiranoj frekvenciji (kao što je prikazano na Slici 5), izražena u ohmovima po fazu. Njena vrijednost izračunata je kao 3U/I (gdje je U ispitni napon, a I ispitni struja). Tijekom mjerenja, nominirani struja od 19,5 A primjenjuje se na linijski terminali, a napon između linijskih terminala i neutralne točke mjeri se na 443,3 V. Izračunata nultostrujna impedancija iznosi 68,2 Ω.
2.4 Usporedba izračunatih simuliranih i izmjerene vrijednosti
Glavni performanse parametara uspoređeni su u Tablici 2. Rezultati pokazuju da su izračunate i simulirane nultostrujne impedancije transformatora za zemljenje bliske izmjerenoj vrijednosti, s odstupanjem od 3,5% i 0,88% redom. Rezultati simulacije iz elektromagnetskog softvera bliži su izmjerene vrijednosti. Rezultati analize magnetskog polja pomažu u jasnom razumijevanju karakteristika raspodjele magnetskog polja proizvoda u ovom radnom stanju, što se može koristiti za optimizaciju elektromagnetskog dizajna i strukturnog dizajna proizvoda na temelju karakteristika raspodjele magnetskog polja.
Rezultati simulacije magnetskog polja dobiveni putem elektromagnetskog softvera su bliži izmjerene vrijednosti. Sa pomoću rezultata analize magnetskog polja, karakteristike raspodjele magnetskog polja proizvoda u ovom radnom stanju mogu se jasnije razumjeti, i tako se mogu provesti ciljane elektromagnetske i strukturne dizajne proizvoda.
3. Zaključak
Nultostrujna impedancija je ključni parametar transformatora za zemljenje, s strogo definiranim zahtjevima za odstupanje od korisnika. Kada se u inženjerstvu izračunava putem tradicionalnih empirijskih formula, potrebno je korigirati empirijske koeficijente, što značajno ovisi o iskustvu dizajnera i teško osigurava točnost.
Da bi se poboljšala točnost, ovaj rad koristi simulacijski softver za analizu magnetskog polja, uspoređuje s rezultatima empirijskih formula i verificira putem testova. Rezultati simulacije su točni i mogu zadovoljiti inženjerske potrebe.
