Analyse des Betriebsverhaltens von Erdtransformator unter System-Einphasen-erdfehlerbedingungen

1 Theoretische Analyse

In Verteilungsnetzen dienen Erdtransformator zweien wesentlichen Funktionen: der Versorgung von Niederspannungsbelastungen und dem Anschluss von Bogenlöschspulen an den Neutralleiter zur Erdschutz. Erdfehler, die häufigsten Fehler in Verteilungsnetzen, beeinflussen stark die Betriebscharakteristiken von Transformatorn, indem sie scharfe Veränderungen in den elektromagnetischen Parametern und Zuständen verursachen. Um die dynamischen Verhaltensweisen von Transformatorn bei Einphasen-Erdefehlern zu untersuchen, wird dieses Modell aufgebaut: Es wird angenommen, dass die inhärenten Eigenschaften eines Transformators während Einphasen-Fehlern an der Niederspannungseite stabil bleiben. Dann werden seine Betriebsregeln über den Kompensationsmechanismus der Bogenlöschspule abgeleitet. Relevante Materialien sind: Abbildung 1 (physische Struktur des Transformators), Abbildung 2 (System-Äquivalentkreis bei Einphasen-Fehler) und Abbildung 3 (Betriebs-Äquivalentkreis des Transformators).

u stellt die Spannung der virtuellen Stromquelle dar, und ihre Berechnungsformel lautet:

In der Formel:U_m ist die Spannungsamplitude des Bus; w₀ ist die Netzfrequenzwinkelgeschwindigkeit; w₀ ist der Spannungsphasenwinkel, der nach einem Einphasen-Erdefehler im System erzeugt wird. Während eines Fehlers im Bogenbrennungsstadium beträgt der Strom i_L der Bogenlöschspule:

In der Formel: δ1 ist der Dämpfungsfaktor; IL stellt die Amplitude des Systemsstroms und der Induktivität dar; R1 ist der äquivalente Widerstand des Haupttransformators und des Leitungsmodus-Schleifens; e ist der Spannungsphasenwinkel, wenn ein Einphasen-Erdefehler auftritt; L bezeichnet die Nullfolge-Induktivität des Erdtransformators und die Induktivität der Bogenlöschspule.

Es besteht eine Korrelation zwischen dem induktiven Strom und dem Entstimmungsgrad in der Bogenlöschspule, und die folgende Formel kann abgeleitet werden:

In der Formel: i_C ist der kompensierte Erdschlussstrom; C ist die Erdkapazität der Verteilerleitung; v ist der Entstimmungsgrad des Umspannwerksystems. Wenn der Einphasen-Erdefehler des Systems in einem stabilen Erdschlusszustand ist, neigt der induktive Strom der Bogenlöschspule dazu, stabil zu sein.

Kombiniert mit der obigen Analyse kann die folgende Gleichung abgeleitet werden:

In der Formel: R_L ist der äquivalente Widerstand des Haupttransformators und des Leitungsmodus-Schleifens (der ursprüngliche “äquivalente Induktivität” ist wahrscheinlich ein Tippfehler; korrigiert zu “äquivalenter Widerstand” basierend auf Schaltkreislogik; wenn es tatsächlich Induktivität ist, behalte das Symbol L_L); w₀ ist die Netzfrequenzwinkelgeschwindigkeit.

Die Formel (4) kann in Formel (5) eingesetzt werden, um den induktiven Strom zu berechnen, und die folgende Formel ergibt sich:

Kombiniert mit Formel (6), während des Bogenlöschenstadiums des Fehlers, sind die Induktivität der Bogenlöschspule und die Erdkapazität der Verteilerleitung in Reihe geschaltet, und der Systemstrom ist gleichmäßig. Nachdem der induktive Strom wieder normal ist, lautet die Berechnungsformel für den induktiven Strom wie folgt:

In der Formel: u_C0+ ist die Erdkapazitätsspannung des Systems während des Bogenlöschenstadiums; i_L0+ ist der durch die Bogenlöschspule des Systems fließende induktive Strom während des Bogenlöschenstadiums; w ist die Resonanzwinkelgeschwindigkeit. Basierend auf der obigen Analyse sind die Einflussfaktoren auf die Betriebscharakteristika des Erdtransformators in verschiedenen Stadien des Einphasen-Erdefehlers des Systems unterschiedlich, wie in Tabelle 1 detailliert dargestellt.

2 Aufbau und Überprüfung des Simulationsmodells
2.1 Modellaufbau
Der Aufbau des Simulationsmodells basiert auf den Parametern des Erdtransformators in einer bestimmten Region, wie in Tabelle 2 detailliert dargestellt. Die Parameter der Kabelleitung sind in Tabelle 3 aufgeführt.

2.2 Modellüberprüfung

Bei der Modellüberprüfung, um die Authentizität und Gültigkeit der Forschung sicherzustellen, kann ein Einphasen-Erdefehler des Systems an einem Ort 4 km von der 1 A-Kabelleitung und dem 10 kV-Bus entfernt eingestellt werden. Der Fehlerphasenwinkel nimmt 90° als Referenz. Mit dem konstruierten Simulationsmodell können die Nullfolgeströme verschiedener Leitungen im Einphasen-Erdefehler des Systems erhalten werden, wie in Tabelle 4 detailliert dargestellt.

Wenn ein Einphasen-Erdefehler im System auftritt, lautet die Berechnungsformel für den kapazitiven Strom verschiedener Leitungen des Erdtransformators:

Kombiniert mit den Daten in Tabelle 4, beträgt der maximale Fehler zwischen dem Simulationswert des Nullfolgestroms der nicht defekten Leitung und dem berechneten Wert des tatsächlichen Kapazitäts-Erdschlussstroms beim Auftreten eines Einphasen-Erdefehlers im System -0.848%, und es gibt keinen signifikanten Unterschied.

3 Simulationsanalyse der Betriebscharakteristika
3.1 Einfluss des Anfangsfehlerphasenwinkels

Im Bogenbrennungsstadium verformen sich die Dreiphasenspannungen erheblich. Die Spannungen von Phase A, B und C steigen, was den Anfangsfehlerphasenwinkel erweitert und die Spannungsverzerrung erhöht. Im stabilen Stadium verkürzt ein größerer Anfangsphasenwinkel die Stabilisierungszeit der Dreiphasenspannungen. Im Bogenlöschenstadium ändern sich die Phasenspannungen unabhängig vom Anfangsphasenwinkel konsistent: Phase A steigt auf die normale Amplitude; Phase B fällt auf Normal; Phase C fällt zunächst unter Normal und steigt dann wieder. Für Ströme: Im ersten Bogenbrennungsstadium reduziert ein größerer Anfangsphasenwinkel die Variation der Dreiphasenströme; im stabilen Stadium erhöht er die Variation; im Bogenlöschenstadium sind die Strömungsänderungen unabhängig von den Anfangsphasenwinkeln gleichmäßig.

3.2 Einfluss des Übergangswiderstands

Im Bogenbrennungsstadium eines Einphasen-Erdefehlers erhöht ein kleinerer Übergangswiderstand des Erdtransformators die Variation der Dreiphasenspannungen; im stabilen Stadium verstärkt er die Spannungsvariation (die Amplituden von Phase B und C sind kleiner). Im Bogenlöschenstadium sind die Dreiphasenspannungen unter verschiedenen Widerständen konsistent: Phase A erreicht die normale Amplitude, Phase B fällt auf Normal, und Phase C fällt zunächst und steigt dann. Für Ströme: Im Bogenbrennungsstadium erhöht ein kleinerer Widerstand die Amplitude der Dreiphasenströme. Im ersten Stadium (großer Widerstand) ist die Stromamplitude klein; im zweiten (kleiner Widerstand) ist die Stromamplitude groß; im dritten Stadium, wenn die Bogenlöschspule gestoppt wird, fallen die Ströme von Phase A und C zunächst und steigen dann auf Normal.

4 Schlussfolgerung

Ein Einphasen-Erdefehler im Umspannwerkssystem erhöht die Dreiphasenströme auf der Erdtransformatorseite (konsistente Phasen, kein Schaden an Geräten). Um eine stabile und sichere Energieversorgung sicherzustellen, sollten die Betriebsweise des Transformators und die Auswirkungen von Fehlern verstanden werden. Da der Umspannwerksbetrieb von mehreren Faktoren beeinflusst wird, sollten Energieunternehmen Priorität auf Systeminspektionen legen, die Inspektionsarbeit verbessern, den Betrieb der Verteilerleitungen sicherstellen, Einphasen-Erdefehler beheben und den täglichen Lebensbedarf unterstützen.