ZN接続ドライタイプ接地トランスの零相インピーダンス特性
中性点绝缘の三相電力システムにおいて、接地トランスフォーマーは人工的な中性点を提供し、これを直接接地またはリアクターやアーク消去コイルを通じて接地することができます。ZNyn11接続が一般的であり、同じコア柱の内側/外側半巻線内のゼロシーケンス磁動力が相殺され、シリーズ巻線内の故障電流がバランスを取り、ゼロシーケンスリークフロー/インピーダンスが最小限に抑えられます。
ゼロシーケンスインピーダンスは重要です：これは、インピーダンス接地システムにおける故障電流の大きさと相対地電圧分布を決定します。
1. ZN接続の接地トランスフォーマーの特徴
YNd11接続のトランスフォーマーを使用することも可能ですが、ZNyn11が好まれます（図1）。主な違いは以下の通りです：
単相接地故障時には、適切な接地インピーダンスを選択することで、相間短絡電流を主トランスフォーマーの定格相電流以内に制限することができます。
2. ZN接続の接地トランスフォーマーのゼロシーケンスインピーダンス分析
接地トランスフォーマー分析モデルの主要技術パラメータは表1に示されており、ゼロシーケンスインピーダンスの許容偏差は±7.5%以内であることが求められます。
2.1 伝統的な経験式によるゼロシーケンスインピーダンス計算
図2（接地トランスフォーマー巻線配置）に示すように、ゼロシーケンスインピーダンスは、故障電流が同時に3相を通過するときの1相の電圧降下と故障電流の比として定義されます。計算には、X0 は通常の二巻線電力トランスフォーマーのインピーダンス原理に従います（式1）。
この式では、Wは巻線の巻数を表します。ZN接続の巻線の場合、Wは半巻線の巻数です；∑aRは等価漏れ磁束面積を表します。ZN接続の巻線の場合、これは2つの半巻線の等価漏れ磁束面積です；ρはロゴフスキ係数です；Hは巻線のリアクタンス高さです。
表1のデータを式(1)に代入すると、計算されたゼロシーケンスインピーダンスは70.6Ωとなります。
2.2 電磁ソフトウェアによるゼロシーケンスインピーダンス分析
Infolytica社のMagnet電磁ソフトウェアを使用して磁界解析を行いました。製品の構造特性に基づいて3次元簡略化モデルを作成しました（図3）。ソフトウェアは、1次から3次の補間多項式を使用した層状要素を用いたT-Ωポテンシャルグループ解法アルゴリズムを利用しています。
有限要素法（FEA）は、変分原理とメッシュ補間に基づく数値計算方法です。まず、変分原理を使用して境界値問題を対応する変分問題（つまり、汎関数の極値問題）に変換し、その後、メッシュ補間を通じて変分問題を一般的な多変数関数の極値問題に離散化し、最終的に多変数代数方程式のセットに還元して数値解を求めます。解析中に設定されたメッシュ分割は以下の通りです：空気部80、鉄心部30、巻線部15。製品のメッシュ図は図4に詳細に示されています。
有限要素アルゴリズムでは、多項式の次数はフィールド領域形状関数の精度と関連しています—次数が高いほどフィールド特性をより正確に表現できます。このモデルでは、2次の多項式を使用し、最大20回の反復、0.5%の反復誤差、0.01%の共役勾配誤差を設定しました。
フィールド-回路結合法により接地トランスフォーマーのゼロシーケンスインピーダンスをテストするには：中性点に高電圧定格電流（ソフトウェアでのピーク値27.59A）を適用し、低電圧側を開回路にして電圧を測定します。
2.3 ゼロシーケンスインピーダンス測定
ゼロシーケンスインピーダンスは、接地トランスフォーマーのライン端子と中性端子間に定格周波数で測定され（図5参照）、オーム/相で表されます。その値は3U/I（ここでUは試験電圧、Iは試験電流）によって計算されます。測定時にライン端子に19.5Aの定格電流を適用し、ライン端子と中性点間の電圧を443.3Vとして測定しました。計算されたゼロシーケンスインピーダンスは68.2Ωです。
2.4 計算値、シミュレーション値、測定値の比較分析
主な性能パラメータは表2で比較されています。結果は、接地トランスフォーマーの計算値とシミュレーション値のゼロシーケンスインピーダンスが測定値に近いことが示され、それぞれの偏差は3.5%と0.88%です。電磁ソフトウェアからのシミュレーション結果は測定値に最も近いです。磁界解析結果は、この動作条件での製品の磁界分布特性を明確に理解するのに役立ち、磁界分布特性に基づいて製品の電磁設計および構造設計を最適化することができます。
電磁ソフトウェアによって得られた磁界シミュレーション結果は、測定値に非常に近いです。磁界解析結果の助けにより、この動作条件での製品の磁界分布特性をより明確に理解し、対象となる電磁設計および構造設計を行うことができます。
3.結論
ゼロシーケンスインピーダンスは接地トランスフォーマーの重要なパラメータであり、ユーザーからの厳格な偏差要件があります。エンジニアリングでの伝統的な経験式による計算では、経験係数の修正が必要であり、これが設計者の経験に大きく依存し、精度を確保することは困難です。
精度を向上させるために、本論文ではシミュレーションソフトウェアを使用して磁界解析を行い、経験式の結果と比較し、試験を通じて検証しました。シミュレーション結果は正確で、エンジニアリングの要件を満たすことができます。
