Caratterizzazione dell'Impedenza Sequenziale Zero di un Trasformatore di Terra a secco con Connessione ZN
In un sistema elettrico trifase con isolamento neutro, un trasformatore di terra fornisce un punto neutro artificiale, che può essere solidamente collegato a terra o collegato a terra tramite reattori/spire di soppressione dell'arco. La connessione ZNyn11 è tipica, in cui le forze magnetomotive della sequenza zero nelle mezzoavvolgimenti interni/esterni della stessa colonna del nucleo si annullano, bilanciando le correnti di guasto negli avvolgimenti in serie e minimizzando il flusso di fuga di sequenza zero/impedenza.
L'impedenza di sequenza zero è cruciale: determina la magnitudine della corrente di guasto e la distribuzione della tensione fase-terra nei sistemi collegati a terra per impedenza.
1. Caratteristiche del Trasformatore di Terra Connesso ZN
Sebbene possano essere utilizzati trasformatori connessi YNd11, ZNyn11 è preferito (Fig. 1). Le principali differenze:
Durante i guasti monofase, la scelta di un'impedenza di terra appropriata limita le correnti di cortocircuito fase a entro la corrente di fase nominale del trasformatore principale.
2. Analisi dell'Impedenza di Sequenza Zero dei Trasformatori di Terra Connessi ZN
I principali parametri tecnici del modello di analisi del trasformatore di terra sono riportati nella Tabella 1, con la deviazione consentita dell'impedenza di sequenza zero richiesta entro ±7,5%.
2.1 Calcolo dell'Impedenza di Sequenza Zero tramite Formula Empirica Tradizionale
Come mostrato in Figura 2 (disposizione degli avvolgimenti del trasformatore di terra), l'impedenza di sequenza zero è definita come il rapporto tra la caduta di tensione in una fase e la corrente di guasto quando la corrente di guasto scorre contemporaneamente in tutte e tre le fasi. Per il calcolo, X0 segue il principio di impedenza dei trasformatori elettrici a doppio avvolgimento ordinari (Equazione 1).
Nella formula, W rappresenta il numero di spire. Per un avvolgimento con connessione ZN, W è il numero di spire del mezzo-avvolgimento; ∑aR denota l'area equivalente del flusso di fuga. Per un avvolgimento con connessione ZN, è l'area equivalente del flusso di fuga delle due mezzo-spire; ρ è il coefficiente di Rogowski; H è l'altezza reattiva dell'avvolgimento.
Sostituendo i dati della Tabella 1 nell'Equazione (1), l'impedenza di sequenza zero calcolata è 70,6 Ω.
2.2 Analisi dell'Impedenza di Sequenza Zero tramite Software Elettromagnetico
È stato utilizzato il software Magnet di Infolytica per l'analisi del campo magnetico. È stato stabilito un modello semplificato 3D basato sulle caratteristiche strutturali del prodotto, come mostrato in Figura 3. Il software utilizza un algoritmo di risoluzione del gruppo T-Ω con elementi stratificati utilizzando polinomi di interpolazione da 1° a 3° ordine.
L'analisi agli elementi finiti (FEA) è un metodo di calcolo numerico basato sul principio variazionale e sull'interpolazione di mesh. Prima trasforma il problema ai valori limite in un problema variazionale corrispondente (cioè un problema estremo di una funzionale), poi discretizza il problema variazionale in un problema estremo di una funzione multivariabile comune attraverso l'interpolazione di mesh, riducendolo infine a un insieme di equazioni algebriche multivariate per risolvere la soluzione numerica. Durante l'analisi, le divisioni della mesh sono state impostate come segue: aria a 80, nucleo di ferro a 30 e avvolgimenti a 15. Il diagramma di mesh del prodotto è dettagliato in Figura 4.
Negli algoritmi agli elementi finiti, l'ordine del polinomio si correla con l'accuratezza delle funzioni di forma del dominio del campo - ordini superiori caratterizzano meglio le proprietà del campo. Per questo modello, è stato adottato un polinomio di 2° ordine, con un massimo di 20 iterazioni, un errore di iterazione del 0,5% e un errore del gradiente coniugato del 0,01%.
Per testare l'impedenza di sequenza zero del trasformatore di terra tramite il metodo di accoppiamento campo-circuito: applicare la corrente nominale ad alta tensione (27,59 A picco per il software) al punto neutro, mantenere il lato a bassa tensione aperto e misurare la tensione.
2.3 Misurazione dell'Impedenza di Sequenza Zero
L'impedenza di sequenza zero viene misurata tra i terminali di linea e il terminale neutro del trasformatore di terra alla frequenza nominale (come mostrato in Figura 5), espressa in ohm per fase. Il suo valore è calcolato come 3U/I (dove U è la tensione di prova e I è la corrente di prova). Durante la misurazione, viene applicata una corrente nominale di 19,5 A ai terminali di linea, e la tensione tra i terminali di linea e il punto neutro viene misurata a 443,3 V. L'impedenza di sequenza zero calcolata è 68,2 Ω.
2.4 Analisi Comparativa dei Valori Calcolati, Simulati e Misurati
I principali parametri di prestazione sono confrontati nella Tabella 2. I risultati mostrano che sia l'impedenza di sequenza zero calcolata che simulata del trasformatore di terra sono vicine al valore misurato, con deviazioni rispettivamente del 3,5% e dello 0,88%. I risultati della simulazione del software elettromagnetico sono più vicini ai valori misurati. I risultati dell'analisi del campo magnetico aiutano a comprendere chiaramente le caratteristiche della distribuzione del campo magnetico del prodotto in questa condizione di lavoro, che possono essere utilizzate per ottimizzare la progettazione elettromagnetica e strutturale del prodotto in base alle caratteristiche della distribuzione del campo magnetico.
I risultati della simulazione del campo magnetico ottenuti dal software elettromagnetico sono più allineati ai valori misurati. Grazie ai risultati dell'analisi del campo magnetico, le caratteristiche della distribuzione del campo magnetico del prodotto in questa condizione di lavoro possono essere comprese più chiaramente, e quindi può essere effettuata una progettazione elettromagnetica e strutturale mirata del prodotto.
3. Conclusione
L'impedenza di sequenza zero è un parametro chiave dei trasformatori di terra, con requisiti di deviazione rigorosi da parte degli utenti. Quando si calcola con formule empiriche tradizionali in ingegneria, è necessario correggere i coefficienti empirici, il che dipende pesantemente dall'esperienza dei progettisti e difficilmente garantisce l'accuratezza.
Per migliorare l'accuratezza, questo articolo utilizza il software di simulazione per l'analisi del campo magnetico, confronta i risultati con le formule empiriche e verifica attraverso i test. I risultati della simulazione sono accurati e possono soddisfare le esigenze ingegneristiche.
