Karakterizacija nulte sekvence impedancije suhoga zemljišnog transformatora sa ZN vezom

U neutralno izolovanim trofaznim električnim sistemima, transformator za zemljenje pruža umetnički neutralni tačku, koja može biti čvrsto zemljena ili zemljena preko reaktora/koila za potiskivanje lukova. Veza ZNyn11 je tipična, gde se nulto-redne magnetomotive sile unutrašnjih/spoljašnjih poluvitica na istoj stubnoj osnovi poništavaju, balansirajući strujne greške u serijalnim viticama i minimizirajući nulto-rednu curenju/impedanciju.

Nulto-redna impedanca je ključna: ona određuje magnitudu strujnih grešaka i raspodelu napona faza-do-zemlje u impedančno zemljenim sistemima.

1. Karakteristike transformatora za zemljenje sa vezom ZN

Iako se mogu koristiti transformatori sa vezom YNd11, preferira se ZNyn11 (Slika 1). Ključne razlike:

• YNd11 se oslanja na delta-cirkulacione struje za ravnotežu, smanjujući kapacitet izlaza.

• ZNyn11 koristi serijalno-vitacko magnetsko spajanje za ravnotežu strujnih grešaka bez gubitka kapaciteta, stoga širi primenu.

Tokom jednofaznih zemljenskih grešaka, odabir odgovarajuće impedancije za zemljenje ograničava strujne greške faze do nominalne fazonapona glavnog transformatora.

2. Analiza nulto-redne impedancije transformatora za zemljenje sa vezom ZN

Glavni tehnički parametri modela analize transformatora za zemljenje prikazani su u Tabeli 1, s dopuštenim odstupanjem nulto-redne impedancije unutar ±7.5%.

2.1 Izračunavanje nulto-redne impedancije putem tradicionalne empirijske formule

Kao što je prikazano na Slici 2 (raspored vitica transformatora za zemljenje), nulto-redna impedanca definisana je kao odnos padanja napona u jednoj fazi na strujnu grešku kada strujna greška teče kroz sve tri faze istovremeno. Za izračunavanje, X₀ sledi princip impedancije običnih dvovitackih elektroenergetskih transformatora (Jednačina 1).

U formuli, W predstavlja broj vitkov. Za vito sa vezom ZN, W je broj vitkov poluvitice; ∑aR označava ekvivalentnu površinu curenja. Za vito sa vezom ZN, to je ekvivalentna površina curenja dve poluvitice; ρ jeste Rogowski koeficijent; H jeste reaktivna visina vitka.

Uvrštavanjem podataka iz Tabele 1 u Jednačinu (1), izračunata nulto-redna impedanca iznosi 70.6 Ω.

2.2 Analiza nulto-redne impedancije putem elektromagnetskog softvera

Za analizu magnetskog polja koriscen je elektromagnetski softver Magnet od Infolytica. Baziran na strukturnim karakteristikama proizvoda, estabilisan je pojednostavljeni 3D model, kao što je prikazano na Slici 3. Softver koristi algoritam rešavanja T-Ω potencijalne grupe sa laminiranim elementima koristeći interpolacione polinome prvog do trećeg reda.

Metod konačnih elemenata (FEA) jeste numerička metoda računanja bazirana na varijacionom principu i meshiranju interpolacije. Prvo pretvara granicnu vrednost problem u odgovarajući varijacioni problem (tj. ekstremalni problem funkcionala) koristeći varijacioni princip, zatim diskretizuje varijacioni problem u ekstremalni problem obične multivarijabilne funkcije preko meshiranja interpolacije, konačno redukujući ga na skup multivarijabilnih algebarskih jednačina za rešavanje numeričkog rešenja. Tokom analize, mreže su postavljene kao sledeće: vazduh 80, željezni jezgra 30, a vitici 15. Mrežni dijagram proizvoda detaljno je prikazan na Slici 4.

U algoritmima konačnih elemenata, red polinoma korelira sa preciznošću funkcija oblasti polja - viši redovi bolje karakterizuju osobine polja. Za ovaj model, usvojen je polinom drugog reda, sa maksimalno 20 iteracija, greškom iteracije od 0.5% i greškom konjugovanog gradijenta od 0.01%.

Da bi se testirala nulto-redna impedanca transformatora za zemljenje putem metode spajanja polja-kola: primenjuje se nominalna struja visokog napona (vrhunski 27.59 A za softver) na neutralnoj tački, održava se niskonaponska strana otvorena, i meri se napad.

2.3 Merenje nulto-redne impedancije

Nulto-redna impedanca meri se između terminala linije i neutralnog terminala transformatora za zemljenje na nominalnoj frekvenci (kao što je prikazano na Slici 5), izražena u ohmima po fazi. Njena vrednost se izračunava kao 3U/I (gde je U test napad, a I test struja). Toku merenja, nominalna struja od 19.5 A primenjuje se na terminali linije, a napad između terminala linije i neutralne tačke meri se kao 443.3 V. Izračunata nulto-redna impedanca iznosi 68.2 Ω.

2.4 Upoređivanje izračunatih, simuliranih i merenih vrednosti

Glavni performansni parametri upoređeni su u Tabeli 2. Rezultati pokazuju da su i izračunate i simulirane nulto-redne impedancije transformatora za zemljenje bliske merenoj vrednosti, sa odstopanjem od 3.5% i 0.88% redom. Simulirani rezultati elektromagnetskog softvera su bliži merenim vrednostima. Rezultati analize magnetskog polja pomažu jasno razumeti karakteristike raspodele magnetskog polja proizvoda pod ovim radnim uslovima, što se može iskoristiti za optimizaciju elektromagnetskog dizajna i strukturnog dizajna proizvoda na osnovu karakteristika raspodele magnetskog polja.

Rezultati simulacije magnetskog polja dobijeni putem elektromagnetskog softvera su bliži merenim vrednostima. Pomoću rezultata analize magnetskog polja, karakteristike raspodele magnetskog polja proizvoda pod ovim radnim uslovima mogu se jasnije shvatiti, i tako se mogu sprovoditi ciljani elektromagnetski dizajn i strukturni dizajn proizvoda.

3. Zaključak

Nulto-redna impedanca je ključni parametar transformatora za zemljenje, sa strogo zahtevima za odstupanje od korisnika. Kada se izračunava sa tradicionalnim empirijskim formulama u inženjerstvu, potrebno je ispraviti empirijske koeficijente, što se značajno oslanja na iskustvo dizajnera i teško osigurava preciznost.

Da bi se poboljšala preciznost, ovaj rad koristi simulacijski softver za analizu magnetskog polja, upoređuje sa rezultatima empirijskih formula, i verifikuje preko testova. Rezultati simulacije su precizni i mogu zadovoljiti inženjerske potrebe.