Характеристика нульового імпедансу сухого заземлювального трансформатора з ZN-з'єднанням
У нейтрально-ізольованій трьохфазній електроенергетичній системі заземлювальний трансформатор забезпечує штучну нейтральну точку, яка може бути прямим заземленням або заземлена через реактори/котушці підсилення. З'єднання ZNyn11 є типовим, де магнітодвижущі сили нульового порядку у внутрішніх/зовнішніх половинних обмотках однієї стовпової сердцевини взаємно компенсуються, рівноважаючи аварійні струми в рядових обмотках і мінімізуючи виток нульового порядку/імпеданс.
Імпеданс нульового порядку є критичним: він визначає величину аварійного струму та розподіл напруги між фазами і землею в системах з імпедансним заземленням.
1. Особливості заземлювального трансформатора з ZN-з'єднанням
Хоча можна використовувати трансформатори з YNd11-з'єднанням, ZNyn11 є переважно використовуваним (Рис. 1). Основні відмінності:
При однофазних земельних аваріях вибір відповідного заземлювального імпедансу обмежує струми короткого замикання до номінального фазного струму головного трансформатора.
2. Аналіз імпедансу нульового порядку заземлювального трансформатора з ZN-з'єднанням
Основні технічні параметри аналітичної моделі заземлювального трансформатора наведені в таблиці 1, з допустимим відхиленням імпедансу нульового порядку в межах ±7.5%.
2.1 Обчислення імпедансу нульового порядку за допомогою традиційної емпіричної формули
Як показано на Рис. 2 (розташування обмоток заземлювального трансформатора), імпеданс нульового порядку визначається як співвідношення падіння напруги в одній фазі до аварійного струму, коли аварійний струм проходить через всі три фази одночасно. Для обчислення X0 відповідає принципу імпедансу звичайного двовитяного трансформатора (Рівняння 1).
У формулі W представляє кількість витків обмотки. Для обмотки з ZN-з'єднанням W - це кількість витків половинної обмотки; ∑aR позначає еквівалентну площу витоку. Для обмотки з ZN-з'єднанням це еквівалентна площа витоку двох половинних обмоток; ρ - коефіцієнт Роговського; H - індуктивна висота обмотки.
Підставивши дані з таблиці 1 у рівняння (1), обчислений імпеданс нульового порядку становить 70.6 Ω.
2.2 Аналіз імпедансу нульового порядку за допомогою електромагнітного програмного забезпечення
Для аналізу магнітного поля було використано програмне забезпечення Magnet від Infolytica. Була створена 3D спрощена модель на основі конструктивних характеристик продукту, як показано на Рис. 3. Програмне забезпечення використовує алгоритм розв'язання потенціалу T-Ω з ламінованими елементами, використовуючи поліноми інтерполяції 1-3 порядку.
Метод скінченних елементів (FEA) - це числовий метод обчислення, заснований на варіаційному принципі та інтерполяції сітки. Спочатку він перетворює граничну задачу на відповідну варіаційну задачу (тобто, екстремум функціоналу) за допомогою варіаційного принципу, а потім дискретизує варіаційну задачу на екстремум загальної функції багатьох змінних через інтерполяцію сітки, врешті-решт зводячи її до набору алгебраїчних рівнянь багатьох змінних для отримання числового розв'язку. Під час аналізу сіткові розділи були встановлені так: повітря - 80, сердцевина - 30, обмотки - 15. Детальна сіткова діаграма продукту наведена на Рис. 4.
У алгоритмах скінченних елементів порядок полінома корелює з точністю функцій форми області поля - вищі порядки краще характеризують властивості поля. Для цієї моделі був прийнятий поліном 2-го порядку, з максимальною кількістю 20 ітерацій, похибкою ітерації 0.5% та похибкою спряженого градієнта 0.01%.
Для тестування імпедансу нульового порядку заземлювального трансформатора за допомогою методу з'єднання поля-схеми: застосуйте номінальний струм високої напруги (піковий струм 27.59 A для програмного забезпечення) до нейтральної точки, залишаючи сторону низької напруги відкритою, і виміряйте напругу.
2.3 Вимірювання імпедансу нульового порядку
Імпеданс нульового порядку вимірюється між лінійними клемами та нейтральною клемою заземлювального трансформатора на номінальній частоті (як показано на Рис. 5), виражений в омах на фазу. Його значення обчислюється як 3U/I (де U - випробувальна напруга, I - випробувальний струм). Під час вимірювання до лінійних клем застосовується номінальний струм 19.5 A, а напруга між лінійними клемами та нейтральною точкою вимірюється як 443.3 V. Обчислений імпеданс нульового порядку становить 68.2 Ω.
2.4 Порівняльний аналіз обчислених, моделюваних та виміряних значень
Основні параметри продуктивності порівнюються в таблиці 2. Результати показують, що як обчислений, так і моделюваний імпеданси нульового порядку заземлювального трансформатора близькі до виміряного значення, з відхиленнями 3.5% і 0.88% відповідно. Результати моделювання з електромагнітного програмного забезпечення ближче до виміряних значень. Результати аналізу магнітного поля допомагають чітко зрозуміти характеристики розподілу магнітного поля продукту в цій робочій умові, що може бути використано для оптимізації електромагнітного та конструктивного проектування продукту на основі характеристик розподілу магнітного поля.
Результати моделювання магнітного поля, отримані за допомогою електромагнітного програмного забезпечення, більш точно відповідають виміряним значенням. З допомогою результатів аналізу магнітного поля можна більш чітко зрозуміти характеристики розподілу магнітного поля продукту в цій робочій умові, і таким чином провести цілеспрямоване електромагнітне та конструктивне проектування продукту.
3. Висновок
Імпеданс нульового порядку є ключовим параметром заземлювальних трансформаторів, зі строгими вимогами до відхилення від користувачів. При обчисленні з використанням традиційних емпіричних формул в інженерії необхідна корекція емпіричних коефіцієнтів, що сильно залежить від досвіду проектувальників і важко гарантує точність.
Для покращення точності ця робота використовує програмне забезпечення для моделювання магнітного поля, порівнює результати з емпіричними формулами та перевіряє їх через випробування. Результати моделювання є точними і можуть задовольнити потреби інженерії.
