Charakterystyka impedancji zerowej suchego transformatora ziemnego z połączeniem ZN
W neutralnie izolowanym trójfazowym systemie zasilającym, transformator ziemny zapewnia sztuczny punkt neutralny, który może być stałe uziemiony lub uziemiony przez reaktory/wirniki tłumiące. Połączenie ZNyn11 jest typowe, gdzie siły magnetostrujowe wewnętrznej/zewnętrznej połówki cewek na tym samym słupku rdzenia wzajemnie się wycompensują, bilansując prądy uszkodzeniowe w cewkach szeregowych i minimalizując przeciek magnetyczny/impedancję zerowej sekwencji.
Impedancja zerowej sekwencji jest kluczowa: określa ona wielkość prądu uszkodzeniowego i rozkład napięcia fazowo-ziemiowego w systemach uziemionych impedancyjnie.
1. Cechy transformatora ziemnego o połączeniu ZN
Chociaż można używać transformatorów o połączeniu YNd11, preferowane jest ZNyn11 (Rys. 1). Kluczowe różnice:
Podczas jednofazowych uszkodzeń ziemnych, odpowiedni wybór impedancji uziemienia ogranicza prądy krótkiego obwodu fazowego do wartości nominalnej prądu fazowego głównego transformatora.
2. Analiza impedancji zerowej sekwencji transformatorów ziemnych o połączeniu ZN
Głównymi parametrami technicznymi modelu analizy transformatora ziemnego są dane w Tabeli 1, z dopuszczalnym odchyleniem impedancji zerowej sekwencji w granicach ±7,5%.
2.1 Obliczenie impedancji zerowej sekwencji za pomocą tradycyjnej empirycznej formuły
Jak pokazano na Rysunku 2 (układ cewek transformatora ziemnego), impedancja zerowej sekwencji definiuje się jako stosunek spadku napięcia w jednej fazie do prądu uszkodzeniowego, gdy prąd uszkodzeniowy przepływa jednocześnie przez wszystkie trzy fazy. W celu obliczenia, X0 podąża za zasadą impedancji zwykłego dwucewkowego transformatora mocy (Równanie 1).
W formule, W reprezentuje liczbę zwitek. Dla cewki z połączeniem ZN, W to liczba zwitek pół-cewki; ∑aR oznacza równoważną powierzchnię przecieku magnetycznego. Dla cewki z połączeniem ZN, jest to równoważna powierzchnia przecieku magnetycznego dwóch pół-cewek; ρ to współczynnik Rogowskiego; H to wysokość indukcyjności cewki.
Po podstawieniu danych z Tabeli 1 do Równania (1), obliczona impedancja zerowej sekwencji wynosi 70,6 Ω.
2.2 Analiza impedancji zerowej sekwencji za pomocą oprogramowania elektromagnetycznego
Do analizy pola magnetycznego zastosowano oprogramowanie Magnet firmy Infolytica. Utworzono uproszczony model 3D oparty na strukturalnych cechach produktu, jak pokazano na Rysunku 3. Oprogramowanie wykorzystuje algorytm rozwiązywania potencjału grupy T-Ω z laminowanymi elementami, korzystając z wielomianów interpolacyjnych 1. do 3. stopnia.
Analiza elementów skończonych (FEA) to metoda numeryczna oparta na zasadzie wariacyjnej i interpolacji siatki. Najpierw przekształca problem brzegowy w odpowiedni problem wariacyjny (tj. problem ekstremalny funkcjonału) przy użyciu zasady wariacyjnej, a następnie dyskretyzuje problem wariacyjny w problem ekstremalny zwykłej funkcji wielu zmiennych poprzez interpolację siatki, kończąc na zestawie równań algebraicznych wielu zmiennych do rozwiązania numerycznego. Podczas analizy, podziały siatki były ustawione następująco: powietrze 80, rdzeń żelazny 30, a cewki 15. Siatka produktu jest szczegółowo przedstawiona na Rysunku 4.
W algorytmach elementów skończonych, rząd wielomianu koreluje z dokładnością funkcji kształtu domeny pola - wyższe rzędy lepiej charakteryzują właściwości pola. Dla tego modelu przyjęto wielomian 2. stopnia, z maksymalnie 20 iteracjami, błędem iteracji 0,5% i błędem gradientu sprzężonego 0,01%.
Aby przetestować impedancję zerowej sekwencji transformatora ziemnego metodą sprzężenia pola-obwód: zastosuj nominalny prąd wysokiego napięcia (27,59 A szczytowego dla oprogramowania) w punkcie neutralnym, zachowując stronę niskonapięciową otwartą, a następnie zmierz napięcie.
2.3 Pomiar impedancji zerowej sekwencji
Impedancja zerowej sekwencji mierzona jest między terminalami linii i terminalem neutralnym transformatora ziemnego przy częstotliwości nominalnej (jak pokazano na Rysunku 5), wyrażona w omach na fazę. Jej wartość obliczana jest jako 3U/I (gdzie U to napięcie testowe, a I to prąd testowy). Podczas pomiaru, nominalny prąd 19,5 A zastosowany jest do terminali linii, a napięcie między terminalami linii a punktem neutralnym mierzone jest jako 443,3 V. Obliczona impedancja zerowej sekwencji wynosi 68,2 Ω.
2.4 Porównawcza analiza obliczonych, symulowanych i zmierzonych wartości
Główne parametry wydajnościowe porównane są w Tabeli 2. Wyniki pokazują, że zarówno obliczona, jak i symulowana impedancja zerowej sekwencji transformatora ziemnego są bliskie zmierzonej wartości, z odchyleniami 3,5% i 0,88% odpowiednio. Wyniki symulacji z oprogramowania elektromagnetycznego są bliższe wartościom zmierzonym. Wyniki analizy pola magnetycznego pomagają jasno zrozumieć charakterystykę rozkładu pola magnetycznego produktu w tych warunkach pracy, co może być wykorzystane do optymalizacji projektu elektromagnetycznego i konstrukcyjnego produktu na podstawie charakterystyki rozkładu pola magnetycznego.
Wyniki symulacji pola magnetycznego uzyskane za pomocą oprogramowania elektromagnetycznego są bardziej zbliżone do wartości zmierzonych. Dzięki wynikom analizy pola magnetycznego, charakterystyka rozkładu pola magnetycznego produktu w tych warunkach pracy może być bardziej jasno zrozumiała, a tym samym można prowadzić celowy projekt elektromagnetyczny i konstrukcyjny produktu.
3. Wnioski
Impedancja zerowej sekwencji jest kluczowym parametrem transformatorów ziemnych, z surowymi wymaganiami odchylenia ze strony użytkowników. Przy obliczaniu za pomocą tradycyjnych formuł empirycznych w inżynierii, potrzebne jest korygowanie współczynników empirycznych, co bardzo zależy od doświadczenia projektantów i trudno zapewnić dokładność.
Aby zwiększyć dokładność, ten artykuł używa oprogramowania symulacyjnego do analizy pola magnetycznego, porównuje z wynikami formuł empirycznych i weryfikuje przez testy. Wyniki symulacji są dokładne i mogą spełniać potrzeby inżynieryjne.
