Karakterisering van de nulreeksimpedantie van een droge aardingstransformator met ZN-aansluiting
In een neutraal geïsoleerd driefase stroomnetwerk biedt een aardingsversterker een kunstmatig neutraal punt, dat massief of via reactors/boogonderdrukkingsspoelen kan worden aangesloten. De ZNyn11-aansluiting is typisch, waarbij de nulreeksmagnetische krachten in de binnen- en buitenste halfwindingen van dezelfde kernkolom elkaar opheffen, waardoor de foutstromen in serie-windingen worden gebalanceerd en de nulreekslekkageflux/impedantie wordt geminimaliseerd.
De nulreeksimpedantie is cruciaal: het bepaalt de grootte van de foutstroom en de fase-naar-aarde spanningverdeling in impedantie-aangesloten systemen.
1. Kenmerken van ZN-aangesloten aardingsversterkers
Hoewel YNd11-aangesloten versterkers kunnen worden gebruikt, wordt ZNyn11 voorgelegd (Fig. 1). Belangrijkste verschillen:
Tijdens enkelefasenaardsfouten, beperkt het selecteren van de juiste aardingimpedantie de faseshort-circuitstromen tot binnen de nominale fasespanning van de hoofdversterker.
2. Analyse van de nulreeksimpedantie van ZN-aangesloten aardingsversterkers
De belangrijkste technische parameters van het analysemodel van de aardingsversterker staan in Tabel 1, met een toegestane afwijking van de nulreeksimpedantie die binnen ±7,5% moet liggen.
2.1 Berekening van de nulreeksimpedantie via traditionele empirische formule
Zoals getoond in Figuur 2 (aardingsversterker windingsschikking), wordt de nulreeksimpedantie gedefinieerd als het verhouding van de spanningval in één fase tot de foutstroom wanneer de foutstroom door alle drie de fasen gelijktijdig loopt. Voor de berekening volgt X0 het impedantieprincipe van gewone dubbele-winding stroomversterkers (Vergelijking 1).
In de formule, W staat voor het aantal windingen. Voor een winding met ZN-aansluiting, W is het aantal windingen van de halve winding; ∑aR geeft de equivalente lekfluxgebied aan. Voor een winding met ZN-aansluiting, is het de equivalente lekfluxgebied van de twee halve windingen; ρ is de Rogowski-coëfficiënt; H is de reactantiehoogte van de winding.
Door de gegevens in Tabel 1 in Vergelijking (1) te substitueren, wordt de berekende nulreeksimpedantie 70,6 Ω.
2.2 Analyse van de nulreeksimpedantie via elektromagnetische software
De Magnet-elektromagnetische software van Infolytica werd gebruikt voor magnetisch veldanalyse. Op basis van de structuurkenmerken van het product werd een vereenvoudigd 3D-model opgesteld, zoals getoond in Figuur 3. De software maakt gebruik van een T-Ω potentiaalgroep oplossingsalgoritme met gelamineerde elementen met 1e tot 3e orde interpolatiepolynomen.
Eindige-elementanalyse (FEA) is een numerieke berekeningmethode gebaseerd op het variatieprincipe en rasterinterpolatie. Het transformeert eerst het randwaardeprobleem naar een overeenkomstig variatieprobleem (d.w.z. een extremumprobleem van een functionaal) met behulp van het variatieprincipe, vervolgens discretiseert het de variatieproblemen tot een extremumprobleem van een algemene multivariate functie door rasterinterpolatie, uiteindelijk terugbrengend tot een set multivariate algebraïsche vergelijkingen voor het oplossen van de numerieke oplossing. Tijdens de analyse werden de rasterindelingen ingesteld als volgt: lucht 80, ijzerkern 30, en windingen 15. Het rasterdiagram van het product is gedetailleerd weergegeven in Figuur 4.
Bij eindige-elementalgoritmen staat de polynomiale orde in verband met de nauwkeurigheid van de vormfuncties van het veld-domein - hogere ordes karakteriseren veld eigenschappen beter. Voor dit model werd een 2e-orde polynoom aangenomen, met een maximum van 20 iteraties, een iteratiefout van 0,5% en een geconjugeerde gradiëntfout van 0,01%.
Om de nulreeksimpedantie van de aardingsversterker te testen via de veld-schakeling gekoppelde methode: pas de hoogspanningsnominale stroom (27,59 A piek voor software) toe op het neutrale punt, houd de laagspanningszijde open gesloten, en meet de spanning.
2.3 Meting van de nulreeksimpedantie
De nulreeksimpedantie wordt gemeten tussen de lijneindpunten en het neutrale eindpunt van de aardingsversterker bij de nominale frequentie (zoals getoond in Figuur 5), uitgedrukt in ohms per fase. De waarde wordt berekend als 3U/I (waarbij U de testspanning is en I de teststroom). Tijdens de meting wordt een nominale stroom van 19,5 A toegepast op de lijneindpunten, en wordt de spanning tussen de lijneindpunten en het neutrale punt gemeten als 443,3 V. De berekende nulreeksimpedantie is 68,2 Ω.
2.4 Vergelijkende analyse van berekende, gesimuleerde en gemeten waarden
De belangrijkste prestatieparameters worden vergeleken in Tabel 2. De resultaten tonen aan dat zowel de berekende als de gesimuleerde nulreeksimpedanties van de aardingsversterker dicht bij de gemeten waarde liggen, met afwijkingen van 3,5% en 0,88% respectievelijk. De simulatieresultaten van de elektromagnetische software liggen dichter bij de gemeten waarden. De resultaten van de magnetische veldanalyse helpen om de kenmerken van de magnetische veldverdeling van het product onder deze werkomstandigheden duidelijker te begrijpen, wat kan worden gebruikt om de elektromagnetische ontwerp en structurele ontwerp van het product op basis van de magnetische veldverdelingkenmerken te optimaliseren.
De magnetische veldsimulatie-resultaten verkregen met elektromagnetische software komen meer overeen met de gemeten waarden. Met behulp van de resultaten van de magnetische veldanalyse kunnen de kenmerken van de magnetische veldverdeling van het product onder deze werkomstandigheden duidelijker worden begrepen, waardoor gerichte elektromagnetische en structurele ontwerpen van het product kunnen worden uitgevoerd.
3. Conclusie
De nulreeksimpedantie is een belangrijke parameter van aardingsversterkers, met strikte afwijkingseisen van gebruikers. Bij het berekenen met traditionele empirische formules in de ingenieurswetenschappen, is het nodig om empirische coëfficiënten te corrigeren, wat sterk afhankelijk is van de ervaring van ontwerpers en nauwelijks de nauwkeurigheid garandeert.
Om de nauwkeurigheid te verbeteren, gebruikt dit artikel simulatiesoftware voor magnetische veldanalyse, vergelijkt met empirische formule-resultaten en verifieert via tests. De simulatie-resultaten zijn accuraat en kunnen de ingenieursbehoeften voldoen.
