من التصنيف إلى طريقة التوصيل، الشرح الأكثر شمولاً لمحولات التأريض

تعتمد شبكات الطاقة ذات الجهد 6 كيلوفولت و10 كيلوفولت و35 كيلوفولت في نظام الطاقة عمومًا نمط التشغيل بدون تأريض للخط المحايد. يتم توصيل جانب الجهد المنخفض للمحول الرئيسي في شبكة الطاقة عادةً بشكل مثلثي، ولا توجد نقطة محايدة قابلة للتأريض. عند حدوث عطل تأريض أحادي الطور في نظام بدون تأريض للخط المحايد، يظل مثلث جهد الخط متناظرًا. يمكن لنظام الطاقة الاستمرار في تزويد المستخدمين بالطاقة لمدة ساعة إلى ساعتين، ويكون التيار السعوي صغيرًا نسبيًا (أقل من 10 أمبير)، مما لا يتسبب في حدوث قوس كهربائي متقطع. يمكن أن تختفي بعض أعطال التأريض العابرة تلقائيًا، وهو أمر فعال للغاية لتحسين موثوقية إمدادات الطاقة وتقليل حوادث انقطاع التيار الكهربائي. ومع ذلك، مع التوسع المستمر لشبكة الطاقة الحضرية والزيادة المستمرة في خطوط الكابلات الخارجة، يزداد التيار السعوي للنظام إلى الأرض بشكل حاد، ويكون التيار السعوي المتدفق عبر نقطة العطل بعد التأريض أحادي الطور كبيرًا (أكثر من 10 أمبير).

يصعب إخماد القوس الكهربائي، ومن السهل إثارة جهد زائد ناتج عن الرنين المغناطيسي الحديدي، مما قد يؤدي إلى جهد زائد متقطع ناتج عن تأريض ضوء القوس، الأمر الذي قد يتسبب في تلف العزل، وفصل الخط، وتفاقم الحادث.

خاصة:

سيؤدي الانطفاء المتقطع وإعادة اشتعال قوس التأريض أحادي الطور إلى إنتاج جهد زائد للتأريض بسعة تصل إلى 4U (حيث U هي القيمة القصوى لجهد الطور العادي) أو أعلى ولمدة طويلة، مما سيسبب ضررًا كبيرًا لعزل المعدات الكهربائية ويؤدي إلى انهيار في العزل الضعيف؛ ويسبب خسائر فادحة.

يؤدي تفكك الهواء الناتج عن القوس المستمر إلى تدمير عزل الهواء المحيط ويكون عرضة لحدوث قصر في الدائرة بين الأطوار.

قد يؤدي فرط الجهد الناتج عن الرنين المغناطيسي الحديدي إلى احتراق محول الجهد بسهولة وإلحاق الضرر بمانع الصواعق، بل وقد يتسبب في انفجاره. هذه العواقب ستشكل تهديدًا خطيرًا لعزل معدات شبكة الطاقة، وتعرض سلامة تشغيلها للخطر.

لتقليل التيار السعوي المتجه إلى الأرض في حالة حدوث عطل تأريض أحادي الطور، يلزم تركيب ملف إخماد القوس الكهربائي وأجهزة تعويض أخرى عند نقطة التعادل للمحول. لذا، من الضروري إنشاء نقطة تعادل يدويًا لتوصيل ملف إخماد القوس الكهربائي بها، مما يقلل تيار قطع دائرة قصر التأريض ويحسن موثوقية إمداد الطاقة للنظام.

■ الاستخدام الحالي في الداخل والخارج

تعتمد محولات التأريض في الصين عادةً على توصيلات من النوع Z (أو التوصيلات المتعرجة). ولتوفير الاستثمار ومساحة المحطة الفرعية، يُضاف عادةً ملف ثالث إلى محول التأريض ليحل محل المحول المستخدم لتزويد المعدات في المحطة الفرعية بالطاقة. ووفقًا للمعيار الوطني للمفاعلات، يمكن تقسيم طريقة تأريض محولات التأريض إلى تأريض مباشر، وتأريض عبر المفاعل، ومقاومة، وملف إخماد القوس الكهربائي. لم يُستخدم التأريض المباشر في الصين، لكن بعض أقسام أبحاث الطاقة الكهربائية بدأت بمناقشة هذا الجانب. أما في الدول الأخرى، فتعتمد محولات التأريض عادةً على توصيلات من النوع Z، والتي تُستخدم في أنظمة 10 كيلوفولت غير المؤرضة، وتُشكل حماية التأريض لشبكة التوزيع. عند حدوث عطل في التأريض، يُظهر محول التأريض مقاومة عالية لتيارات التسلسل الموجب والسالب، ومقاومة منخفضة لتيارات التسلسل الصفري، مما يجعل حماية التأريض تعمل بكفاءة عالية.

■ محول تأريض ثلاثي الأطوار

محول تأريض ثلاثي الأطوار: يستخدم هذا النوع من المحولات توصيلات من النوع Z (أو التوصيلات المتعرجة). ويكمن الاختلاف بينه وبين المحولات العادية في أن كل ملف طور يُقسم إلى مجموعتين ويُلفّ حول القطب المغناطيسي لهذا الطور بشكل عكسي. وتكمن ميزة هذا التوصيل في أن التدفق المغناطيسي للتسلسل الصفري يتدفق على طول القطب المغناطيسي، بينما يتدفق التدفق المغناطيسي للتسلسل الصفري في المحولات العادية عبر دائرة التسرب المغناطيسي. ولذلك، فإن معاوقة التسلسل الصفري لمحولات التأريض من النوع Z صغيرة جدًا (حوالي 10 أوم)، بينما تكون أكبر بكثير في المحولات العادية. ووفقًا للوائح، يجب ألا تتجاوز سعة المحول العادي المزود بملف إخماد القوس 20% من سعة المحول. ويمكن تزويد محول النوع Z بملف إخماد القوس بسعة تتراوح بين 90% و100%. بالإضافة إلى ملف إخماد القوس، يمكن أيضًا تزويد محول التأريض بحمل ثانوي، مما يُغني عن محول المحطة، وبالتالي يوفر تكاليف الاستثمار.

■ محول تأريض أحادي الطور

محول تأريض أحادي الطور: يُستخدم محول التأريض أحادي الطور بشكل أساسي للمولدات ذات نقطة التعادل وخزانة مقاومة تأريض نقطة التعادل الخاصة بمحولات ساتونز لتقليل تكلفة وحجم خزانة المقاومة.

■ خصائص التشغيل

(1) مقاومة منخفضة للتسلسل الصفري لضمان إخراج تيار التسلسل الصفري؛

(2) مقاومة إثارة عالية لتقليل تيار عدم التحميل؛

(3) انخفاض فقد الطاقة بدون حمل لتوفير استهلاك الطاقة للتشغيل اليومي.

■ وضع التوصيل

اتصال YNyn

يستخدم المحول ذو نمط التوصيل هذا عادةً قلبًا حديديًا ثلاثي الأطوار بثلاثة أعمدة، ويمكن توصيل نقطة التعادل على جانب الجهد العالي بملف إخماد القوس الكهربائي لتحقيق التأريض. مع ذلك، عندما يمر تيار التسلسل الصفري المؤرض أحادي الطور عبر ملفات جانب الجهد العالي، لا يمكن موازنة الجهد المغناطيسي للتسلسل الصفري المتولد بواسطة الجهد المغناطيسي الثانوي، ولا يمكن لتدفق التسلسل الصفري المغناطيسي في نفس الاتجاه تشكيل حلقة في القلب الحديدي ثلاثي الأعمدة، مما يؤدي إلى مرور كمية كبيرة من تدفق التسلسل الصفري المغناطيسي عبر المشبك والزيت وجسم خزان الزيت لتشكيل حلقة مغلقة، وبالتالي التسبب في فقد إضافي في خزان الزيت والمشبك، مما ينتج عنه ارتفاع درجة حرارة موضعي، وبالتالي الحد من استخدام سعة المحول. وقد نصت لوائح التشغيل ذات الصلة في قطاع الطاقة الصيني على الأحكام التالية بشأن حالة تشغيل ملف إخماد القوس الكهربائي لنقطة التعادل في محول توصيل YNyn:

(1) يجب ألا تتجاوز سعة ملف قمع القوس 20٪ من السعة المقدرة للمحول؛

(2) يجب ألا يتجاوز انخفاض جهد التسلسل الصفري الناتج عن تيار التسلسل الصفري المتدفق عبر ملف قمع القوس في المحول 10٪ من جهد الطور المقنن؛

تتميز طريقة توصيل محول YNd وملف إخماد القوس XL بأن التوصيل المثلثي على الجانب الثانوي يوفر مسارًا مغلقًا لتيار التسلسل الصفري، مما يؤدي إلى انخفاض مفاعلة التسلسل الصفري. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لتوازن الجهد المغناطيسي للتسلسل الصفري للملفات الأولية والثانوية على كل عمود من أعمدة القلب، يكون التسرب المغناطيسي للتسلسل الصفري منخفضًا أيضًا. مع ذلك، عندما يكون ملف توصيل YN خارجيًا، لا يمكن تجنب الفقد الإضافي للتسلسل الصفري الناتج في خزان الزيت والمكونات الأخرى بشكل كامل. وعند توصيله بملف إخماد القوس، يظل استخدام سعته محدودًا. تشير الأبحاث التجريبية الأجنبية إلى أن طريقة التشغيل المسموح بها لمحول التأريض الموصول بـ YNd هي:

(1) عندما يكون الحمل الثانوي الكامل طبيعيًا، يجب ألا تتجاوز سعة ملف قمع القوس الكهربائي المتصل بجانب YN 50٪ من السعة المقدرة للمحول؛

(2) عندما يكون الحمل الثانوي 50٪ فقط من سعة المحول في الأوقات العادية، يمكن أن تكون سعة ملف قمع القوس مساوية للسعة المقدرة للمحول.

على الرغم من أن الجانب الثانوي لهذا الاتصال يمكنه تزويد الأحمال الإقليمية أو المحطة الفرعية نفسها بالطاقة، إلا أن تطبيقه سيكون محدودًا للغاية لأن الاتصال المثلثي يصعب عليه تزويد مستخدمي الطاقة الهجينة والإضاءة بالطاقة في نفس الوقت.

يتم توصيل وصلة YN المفتوحة بملف XL لكبح القوس الكهربائي، وهو ما يشبه وصلة YNd. يمكن توصيل وصلة YN المفتوحة بمقاومة أو مفاعل على جانب المثلث المفتوح لضبط مفاعلة التسلسل الصفري للمحول، كما يمكن للمقاومة كبح الرنين المغناطيسي الحديدي للشبكة. في حال استخدام قلب حديدي ثلاثي الأطوار بخمسة أعمدة، يمكن زيادة قيمة معاوقة التسلسل الصفري بشكل كبير، بل ويمكن الاستغناء عن ملف كبح القوس الكهربائي، إلا أن ذلك يزيد من تعقيد التركيب والتكلفة. إضافةً إلى ذلك، لا يلبي الاستخدام الثانوي لوصلة المثلث المفتوح احتياجات تغذية الأحمال الإقليمية والطاقة للاستخدام الذاتي، لذا لا يُستخدم هذا الأسلوب على نطاق واسع.

يتم توصيل محول ZN، yn بملف إخماد القوس XL، وهو نمط توصيل شائع لتأريض المحولات. ولأن الجهد المغناطيسي للتسلسل الصفري في النصفين العلوي والسفلي من الملفات على نفس عمود القلب الحديدي في طريقة التوصيل المتعرج متساوي القيمة ومتعاكس الاتجاه، مما يؤدي إلى إلغاء أحدهما الآخر، وبالتالي ينخفض ​​تدفق التسرب للتسلسل الصفري إلى قيمة صغيرة جدًا، مما يجعل قيمة مفاعلة التسلسل الصفري صغيرة جدًا أيضًا، ويمكن أن تكون سعته مساوية لسعة ملف إخماد القوس المتصل به.

يُستخدم محول التأريض على نطاق واسع محليًا ودوليًا، ويتم توصيله غالبًا بهذه الطريقة. وبما أن طريقة وصلة Y تُستخدم في جانب الجهد المنخفض، فإنه يُمكنه تزويد الطاقة المحلية أو الطاقة اللازمة للمحطة الفرعية في الوقت نفسه. عادةً ما تكون سعة جانب الجهد المنخفض أقل من سعة جانب الجهد العالي، وفي معظم الحالات، تتراوح سعة جانب الجهد المنخفض بين 80 و200 كيلو فولت أمبير.

على الرغم من أن السعة المقدرة لجانب الجهد العالي يمكن أن تساوي سعة ملف قمع القوس الكهربائي المتصل، إلا أن التوصيل على شكل حرف Z سيكون له عدد لفات أكثر بمقدار 1.15 مرة من التوصيل على شكل حرف Y، لذلك يجب أن تكون السعة الفعلية لمحول التأريض 1.15 مرة من سعة ملف قمع القوس الكهربائي.

■ مبدأ العمل

يوضح مخطط مبدأ عمل محول التأريض في حالة حدوث عطل أحادي الطور في النظام باستخدام توصيلات ZNyn الشائعة. عندما يمر تيار تسلسل صفري ذو قيمة معينة عبر محول التأريض أثناء التشغيل، يكون التيار المار عبر ملفي الطور الأحادي على نفس عمود القلب الحديدي متعاكسًا في الاتجاه ومتساويًا في القيمة، مما يؤدي إلى فرق جهد مغناطيسي معاكس تمامًا، وبالتالي تكون معاوقة التسلسل الصفري صغيرة جدًا.

عند تعطل محول التأريض، يمر تيار التعويض عبر نقطة التعادل. ونظرًا لانخفاض معاوقة التسلسل الصفري، يجب أن يكون انخفاض جهد المعاوقة الناتج عند مرور تيار التسلسل الصفري في أدنى حد ممكن لضمان سلامة النظام. ولأن محول التأريض يتميز بانخفاض معاوقة التسلسل الصفري، فعند حدوث عطل تأريض أحادي الطور في الطور C، يتدفق تيار التأريض I للطور C إلى نقطة التعادل عبر الأرض، وينقسم إلى ثلاثة أجزاء متساوية لتتدفق إلى محول التأريض. وبما أن التيارات الثلاثة المتدفقة إلى محول التأريض متساوية، فإن إزاحة نقطة التعادل N تبقى ثابتة، ويبقى جهد الخط ثلاثي الأطوار متناظرًا.

مع ذلك، في عملية التصنيع، لا يمكن أن تتطابق لفات وأبعاد اللفات العلوية والسفلية لملف الجهد العالي تمامًا، مما يجعل من المستحيل إزاحة الجهد المغناطيسي الناتج عن تيار التسلسل الصفري تمامًا في الاتجاه المعاكس، وبالتالي يُولّد مقاومة معينة للتسلسل الصفري، تتراوح عادةً بين 6 و10 أوم. وبالمقارنة مع مقاومة التسلسل الصفري للمحول الموصول على شكل نجمة والبالغة 600 أوم، فإن مزايا هذا النوع من المحولات واضحة. إضافةً إلى ذلك، يُقلل محول التأريض المتعرج تيار اللاحمل وفقد الطاقة في حالة اللاحمل إلى أدنى حد ممكن. وبالمقارنة مع محول التوصيل النجمي العادي، يتكون قلب الحديد لكل طور في محول التوصيل المتعرج من لفات عمودين من قلب الحديد. ووفقًا لمخططه الاتجاهي، فإنه يحتاج إلى لفات أكثر بمقدار 1.16 مرة عند ثبات الجهد، مقارنةً بمحول التوصيل النجمي العادي. تختلف سعة معاوقة التسلسل الصفري ومعاوقة التسلسل الموجب لشبكة التوزيع الحضرية ذات التأريض أحادي الطور اختلافًا كبيرًا في وضع تأريض مقاومة النقطة المحايدة. عند مرور تيارات ثلاثية الأطوار ذات تسلسل موجب وسالب، يكون الجهد المغناطيسي على كل عمود من أعمدة القلب الحديدي لمحول التأريض هو مجموع متجهات الجهد المغناطيسي لملفين مختلفي الطور على عمود القلب الحديدي. ويُشكل الجهد المغناطيسي على أعمدة القلب الحديدي الثلاثة مجموعة من كميات التوازن ثلاثية الأطوار بفارق طور 120 درجة. ويمكن للتدفق المغناطيسي المتولد أن يُشكل حلقة على أعمدة القلب الحديدي الثلاثة. تكون المقاومة المغناطيسية للدائرة المغناطيسية صغيرة، والتدفق المغناطيسي كبيرًا، والجهد المستحث كبيرًا، مما يُظهر معاوقة تسلسل موجب وسالب كبيرة؛ لذلك، يتميز محول التأريض بمعاوقة تسلسل موجب وسالب كبيرة ومعاوقة تسلسل صفري صغيرة.

■ المعايير الفنية الرئيسية

من أجل تلبية احتياجات تعويض تأريض ملف قمع القوس في شبكة التوزيع، وكذلك تلبية احتياجات طاقة المحطة الفرعية وحمل الإضاءة، يتم اختيار محول توصيل من النوع Z، ويجب ضبط المعلمات الرئيسية لمحول التأريض بشكل معقول.

(1) يجب أن تتطابق سعة الجانب الابتدائي لمحول التأريض ذي السعة المقننة مع سعة ملف إخماد القوس الكهربائي. وبناءً على مواصفات سعة ملف إخماد القوس الكهربائي الحالي، يُوصى بضبط سعة محول التأريض بحيث تكون بين 1.05 و1.15 ضعف سعة ملف إخماد القوس الكهربائي. على سبيل المثال، تبلغ سعة محول التأريض المُجهز بملف إخماد قوس كهربائي واحد بقدرة 200 كيلو فولت أمبير، 215 كيلو فولت أمبير.

(2) إجمالي التيار المتدفق عبر نقطة التعادل للمحول في حالة حدوث عطل أحادي الطور لتيار تعويض نقطة التعادل:

أين:

U هو جهد الخط لشبكة التوزيع (V)؛ Zx هي معاوقة ملف قمع القوس (Ω)؛

Zd هي معاوقة التسلسل الصفري الأساسية لمحول التأريض (Ω/طور)؛

Zs هي معاوقة النظام (Ω)؛

يجب أن تكون مدة تيار تعويض النقطة المحايدة هي نفسها مدة ملف قمع القوس الكهربائي، والتي يجب أن تكون ساعتين كما هو محدد.

(3) معاوقة التسلسل الصفري: تُعدّ معاوقة التسلسل الصفري معيارًا هامًا في محولات التأريض، ولها تأثير كبير على حماية المرحلات للحد من تيار قصر الدائرة في التأريض أحادي الطور وكبح الجهد الزائد. بالنسبة لمحولات التأريض ذات التوصيل المتعرج (النوع Z) والتوصيل النجمي/المثلثي المفتوح بدون ملفات ثانوية، توجد معاوقة واحدة فقط، وهي معاوقة التسلسل الصفري، مما يُمكّن قسم التصنيع من تلبية متطلبات قسم الطاقة.

(4) يُعدّ الفقد أحد أهمّ معايير أداء محوّل التأريض. بالنسبة لمحوّل التأريض ذي الملف الثانوي، قد يكون فقده في حالة اللاحمل مساويًا لفقد محوّل ذي ملفين بنفس السعة. أما بالنسبة لفقد الحمل، فعندما يكون الجانب الثانوي يعمل بكامل طاقته، يكون فقد الحمل في الجانب الابتدائي أقلّ من فقد محوّل ذي ملفين بنفس سعة الجانب الثانوي، وذلك بسبب انخفاض الحمل على الجانب الابتدائي.

(5) وفقًا للمعيار الوطني، يكون ارتفاع درجة حرارة محول التأريض كما يلي:

1) يجب أن يتوافق ارتفاع درجة الحرارة تحت التيار المستمر المقنن مع أحكام المعيار الوطني للمحولات الجافة من نوع محولات الطاقة العامة، ولكنه ينطبق بشكل أساسي على محولات التأريض ذات الحمل المتكرر على الجانب الثانوي؛

2) عندما تكون مدة تيار الحمل قصير المدى أقل من 10 ثوانٍ (وذلك بشكل رئيسي عندما تكون نقطة التعادل متصلة بالمقاومة)، يجب أن يتوافق ارتفاع درجة الحرارة مع أحكام معيار محول الطاقة الوطني بشأن حد ارتفاع درجة الحرارة في ظل ظروف قصر الدائرة؛

3) يجب أن يتوافق ارتفاع درجة حرارة محول التأريض وملف إخماد القوس عند تشغيلهما معًا مع الأحكام المتعلقة بارتفاع درجة حرارة ملف إخماد القوس: درجة حرارة الملف الذي يمر به التيار المقنن بشكل مستمر هي 80 كلفن، وهو ما ينطبق بشكل أساسي على محول التأريض ذي التوصيل النجمي/المثلثي المفتوح؛ بالنسبة للملف الذي يبلغ الحد الأقصى لوقت تدفق التيار المقنن فيه ساعتين، فإن درجة الحرارة المحددة هي 100 كلفن.