De la classification au mode de câblage, l'explication la plus complète du transformateur de mise à la terre

Les réseaux électriques 6kV, 10kV et 35kV du système électrique adoptent généralement le mode de fonctionnement neutre non mis à la terre. Le côté basse tension du transformateur principal du réseau électrique est généralement connecté en triangle et il n'y a pas de point neutre pouvant être mis à la terre. Lorsqu'un défaut de mise à la terre monophasé se produit dans un système neutre non mis à la terre, le triangle de tension de ligne reste symétrique. Le système d'alimentation peut continuer à alimenter les utilisateurs pendant 1 à 2 heures, et le courant capacitif est relativement faible (moins de 10 A), ce qui ne provoquera pas d'arc intermittent. Certains défauts de mise à la terre transitoires peuvent disparaître automatiquement, ce qui est très efficace pour améliorer la fiabilité de l'alimentation et réduire les accidents de panne de courant. Cependant, avec l'expansion continue du réseau électrique urbain et l'augmentation continue des lignes de câble sortantes, le courant capacitif du système au sol augmente fortement et le courant capacitif traversant le point de défaut après la mise à la terre monophasée est important (plus de 10A).

L'arc n'est pas facile à éteindre, il est facile d'exciter une surtension de résonance ferromagnétique et de produire une surtension intermittente de mise à la terre de la lumière de l'arc, ce qui peut endommager l'isolation, déclencher la ligne et étendre l'accident

Spécifiquement:

L'extinction et le rallumage intermittents de l'arc de mise à la terre monophasé produiront une surtension de mise à la terre de l'arc avec une amplitude allant jusqu'à 4U (U est la valeur de crête de la tension de phase normale) ou une durée supérieure et longue, ce qui causera de grands dommages à l'isolation de l'équipement électrique et provoquer une panne à faible isolation ; Provoquer de lourdes pertes.

La dissociation de l'air provoquée par l'arc continu détruit l'isolation de l'air ambiant et est sujette aux courts-circuits entre phases.

Une surtension de résonance ferromagnétique peut facilement griller le transformateur de tension et endommager le parafoudre, ce qui peut même provoquer l'explosion du parafoudre. Ces conséquences menaceront sérieusement l'isolation des équipements du réseau électrique et mettront en danger le fonctionnement sûr du réseau électrique.

Afin de réduire le courant capacitif à la terre en cas de défaut de mise à la terre monophasé, il est nécessaire d'installer une bobine de suppression d'arc et d'autres dispositifs de compensation au point neutre du transformateur. Par conséquent, il est nécessaire d'établir manuellement un point neutre afin que la bobine de suppression d'arc puisse être connectée au point neutre pour réduire le courant de coupure de court-circuit à la terre et améliorer la fiabilité de l'alimentation du système.

■ Utilisation actuelle à la maison et à l'étranger

Le transformateur de mise à la terre en Chine adopte généralement un câblage de type Z (ou câblage en zigzag). Afin d'économiser l'investissement et l'espace de la sous-station, un troisième enroulement est généralement ajouté au transformateur de mise à la terre pour remplacer le transformateur utilisé pour alimenter l'équipement utilisé dans la sous-station. Selon la norme nationale du réacteur, le mode de mise à la terre du transformateur de mise à la terre peut être divisé en mise à la terre directe ; Il est mis à la terre via un réacteur, une résistance et une bobine de suppression d'arc. La mise à la terre directe n'a pas été utilisée en Chine, mais certains départements de recherche sur l'énergie électrique ont commencé à discuter de cet aspect. Le transformateur de mise à la terre dans les pays étrangers adopte généralement une connexion de type Z, qui est utilisée pour un système non mis à la terre de 10 kV et constitue la protection de mise à la terre du réseau de distribution. Lorsque le système présente un défaut de mise à la terre, le transformateur de mise à la terre présente une impédance élevée au courant direct et inverse et une faible résistance au courant homopolaire, ce qui permet à la protection de mise à la terre de fonctionner de manière fiable.

■ Transformateur de mise à la terre triphasé

Transformateur de mise à la terre triphasé Ce type de transformateur utilise un câblage de type Z (ou câblage en zigzag). La différence avec les transformateurs ordinaires est que chaque bobine de phase est divisée en deux groupes et enroulée sur le pôle magnétique de cette phase en sens inverse. L'avantage de cette connexion est que le flux magnétique homopolaire peut circuler le long du pôle magnétique, tandis que le flux magnétique homopolaire des transformateurs ordinaires circule le long du circuit de fuite magnétique. Par conséquent, l'impédance homopolaire des transformateurs de mise à la terre de type Z est très faible (environ 10 Ω), tandis que celle des transformateurs ordinaires est beaucoup plus grande. Selon la réglementation, la capacité d'un transformateur ordinaire avec bobine de suppression d'arc ne doit pas dépasser 20 % de la capacité du transformateur. Le transformateur de type Z peut être équipé d'une bobine de suppression d'arc d'une capacité de 90 % à 100 %. En plus de la bobine de suppression d'arc, le transformateur de mise à la terre peut également être équipé d'une charge secondaire, qui peut remplacer le transformateur de la station, réduisant ainsi les coûts d'investissement.

■ Transformateur de mise à la terre monophasé

Transformateur de mise à la terre monophasé Le transformateur de mise à la terre monophasé est principalement utilisé pour le générateur avec point neutre et l'armoire de résistance de mise à la terre du point neutre du transformateur Satons afin de réduire le coût et le volume de l'armoire de résistance.

■ Caractéristiques de travail

(1) Faible impédance homopolaire pour assurer la sortie du courant homopolaire ;

(2) Impédance d'excitation élevée pour réduire le courant à vide ;

(3) Faible perte à vide pour économiser la consommation d'énergie pour le fonctionnement quotidien.

■ Mode de câblage

Connexion YNyn

Le transformateur avec ce mode de connexion adopte généralement un noyau de fer triphasé à trois colonnes, et le point neutre du côté haute tension peut être connecté à une bobine de suppression d'arc pour réaliser la mise à la terre. Cependant, lorsque le courant homopolaire monophasé mis à la terre traverse l'enroulement côté haute tension, le potentiel magnétique homopolaire généré ne peut pas être équilibré par le potentiel magnétique secondaire, et le flux magnétique homopolaire dans le même sens ne peut pas former une boucle dans le noyau de fer à trois colonnes, de sorte qu'un grand nombre de flux magnétiques homopolaires ne peuvent traverser que la pince, l'huile et le corps du réservoir d'huile pour former une boucle fermée, provoquant ainsi une perte supplémentaire dans le réservoir d'huile et la pince, entraînant une surchauffe locale, L'utilisation de la capacité du transformateur est limitée. Les réglementations de fonctionnement pertinentes du secteur de l'électricité chinois ont pris les dispositions suivantes sur l'état de fonctionnement de la bobine de suppression d'arc de connexion au point neutre du transformateur de connexion YNyn :

(1) La capacité de la bobine de suppression d'arc ne doit pas dépasser 20 % de la capacité nominale du transformateur ;

(2) La chute de tension homopolaire générée par le courant homopolaire traversant la bobine de suppression d'arc dans le transformateur ne doit pas dépasser 10 % de la tension de phase nominale ;

Le mode de connexion du transformateur de connexion YNd et de la bobine de suppression d'arc XL est caractérisé par le fait que la connexion triangulaire du côté secondaire peut fournir un chemin fermé de courant homopolaire, de sorte que la réactance homopolaire est faible. De plus, étant donné que le potentiel magnétique homopolaire des enroulements primaire et secondaire sur chaque colonne de noyau est équilibré, la fuite magnétique homopolaire est également faible. Cependant, lorsque l'enroulement de connexion YN est à l'extérieur, la perte supplémentaire homopolaire causée dans le réservoir d'huile et d'autres composants ne peut pas être complètement évitée. Lorsqu'il est connecté à une bobine de suppression d'arc, l'utilisation de sa capacité sera toujours limitée. La recherche de test à l'étranger montre que le mode de fonctionnement autorisé du transformateur de mise à la terre connecté YNd est :

(1) Lorsque la pleine charge secondaire est normale, la capacité de la bobine de suppression d'arc connectée du côté YN ne doit pas dépasser 50 % de la capacité nominale du transformateur ;

(2) Lorsque la charge secondaire n'est que de 50 % de la capacité du transformateur en temps ordinaire, la capacité de la bobine de suppression d'arc peut être égale à la capacité nominale du transformateur.

Bien que le côté secondaire de cette connexion puisse alimenter les charges régionales ou la sous-station elle-même, son application sera considérablement limitée car la connexion triangulaire est difficile à alimenter en même temps les utilisateurs d'énergie hybride et d'éclairage.

YN, la connexion d ouverte est connectée à la bobine de suppression d'arc XL, qui est similaire à la connexion YNd. Le mode de connexion de open d peut être connecté à une résistance ou à un réacteur sur le côté du triangle ouvert pour ajuster la réactance homopolaire du transformateur, et la connexion de la résistance peut également supprimer la résonance ferromagnétique du réseau. Si le noyau de fer triphasé à cinq colonnes est adopté, la valeur d'impédance homopolaire peut également être considérablement augmentée, et il est même possible d'omettre une bobine de suppression d'arc, mais la structure est complexe et le coût est augmenté. De plus, l'utilisation secondaire de la connexion en triangle ouvert ne peut pas répondre aux besoins d'alimentation électrique des charges régionales et de l'auto-utilisation, de sorte que cette méthode n'est pas largement utilisée.

Le transformateur de connexion ZN, yn est connecté à la bobine de suppression d'arc XL, qui est un mode de connexion commun pour le transformateur de mise à la terre. Parce que le potentiel magnétique homopolaire dans les demi-enroulements supérieur et inférieur sur la même colonne de noyau de fer de la méthode de connexion en zigzag est juste de la même taille et de la direction opposée, ce qui se contrecarre, le flux de fuite homopolaire est réduit à une très petite valeur , de sorte que sa valeur de réactance homopolaire est très petite, et sa capacité peut être égale à la capacité de la bobine de suppression d'arc connectée.

Le transformateur de mise à la terre largement utilisé au pays et à l'étranger est principalement connecté de cette manière. Étant donné que la méthode de jonction yn est adoptée du côté basse tension, elle peut fournir l'alimentation locale ou l'alimentation d'auto-utilisation de la sous-station en même temps. La capacité du côté basse tension est généralement inférieure à celle du côté haute tension. Dans la plupart des cas, la capacité du côté basse tension est comprise entre 80 et 200 kVA.

Bien que la capacité nominale du côté haute tension puisse être égale à la capacité de la bobine de suppression d'arc connectée, la connexion en forme de Z aura 1,15 fois plus de tours que la connexion en forme de Y, de sorte que la capacité réelle du transformateur de mise à la terre devrait être 1,15 fois la capacité de la bobine de suppression d'arc.

■ Principe de fonctionnement

Le schéma de principe de fonctionnement du transformateur de mise à la terre en cas de défaut monophasé dans le système est illustré par le câblage ZNyn commun. Lorsque le transformateur de mise à la terre traverse une certaine taille de courant homopolaire pendant le fonctionnement, le courant circulant dans les deux enroulements monophasés sur la même colonne de noyau de fer est dans des directions opposées et la taille est égale, de sorte que le potentiel magnétique généré par le le courant homopolaire est juste opposé au décalage, de sorte que l'impédance homopolaire est également très faible.

Lorsque le transformateur de mise à la terre tombe en panne, le point neutre peut traverser le courant de compensation. En raison de la faible impédance homopolaire, lorsque le courant homopolaire passe, la chute de tension d'impédance générée doit être aussi faible que possible pour assurer la sécurité du système. Étant donné que le transformateur de mise à la terre a les caractéristiques d'une faible impédance homopolaire, lorsqu'un défaut de mise à la terre monophasé se produit dans la phase C, le courant de terre de la phase C I circule dans le point neutre à travers la terre et est divisé en trois parties égales pour circuler dans le transformateur de mise à la terre. Étant donné que les courants triphasés circulant dans le transformateur de mise à la terre sont égaux, le déplacement du point neutre N reste inchangé et la tension de ligne triphasée reste symétrique.

Cependant, dans le processus de fabrication, les spires et les dimensions géométriques des enroulements supérieur et inférieur de l'enroulement haute tension ne peuvent pas être complètement égales, ce qui rend impossible le décalage exact du potentiel magnétique généré par le courant homopolaire dans le sens opposé. direction, et génère toujours une certaine impédance homopolaire, généralement d'environ 6-10 Ω. Comparé à l'impédance homopolaire du transformateur connecté en étoile de 600 Ω, ses avantages sont évidents. De plus, le transformateur de mise à la terre en zigzag peut également réduire au maximum le courant à vide et la perte à vide. Comparé au transformateur de connexion en étoile ordinaire, chaque noyau de fer de phase du transformateur de connexion en zigzag est composé d'enroulements de deux colonnes de noyau de fer. Selon son diagramme vectoriel, par rapport au transformateur de connexion en étoile ordinaire, il doit être enroulé 1,16 fois plus lorsque la tension est la même. L'amplitude de l'impédance homopolaire et de l'impédance directe du réseau de distribution urbain avec mise à la terre monophasée en mode de mise à la terre à résistance de point neutre diffère considérablement. Lorsque des courants triphasés à séquence positive et négative circulent, le potentiel magnétique sur chaque colonne à noyau de fer du transformateur de mise à la terre est la somme des phaseurs du potentiel magnétique de deux enroulements de phases différentes sur la colonne à noyau de fer. Le potentiel magnétique sur les trois piliers à noyau de fer est un groupe de grandeurs d'équilibre triphasées avec une différence de phase de 120 °. Le flux magnétique généré peut former une boucle sur les trois piliers de noyau de fer. La résistance magnétique du circuit magnétique est petite, le flux magnétique est grand et le potentiel induit est grand, montrant une grande séquence positive et une impédance de séquence négative; Par conséquent, le transformateur de mise à la terre présente les caractéristiques d'une grande impédance directe et négative et d'une petite impédance homopolaire.

■ Principaux paramètres techniques

Afin de répondre aux besoins de compensation de mise à la terre de la bobine de suppression d'arc dans le réseau de distribution, ainsi qu'aux besoins de la puissance de la sous-station et de la charge d'éclairage, un transformateur de connexion de type Z est sélectionné et les principaux paramètres du transformateur de mise à la terre doivent être raisonnablement définis.

(1) La capacité du côté primaire du transformateur de mise à la terre avec la capacité nominale doit correspondre à la capacité de la bobine de suppression d'arc. Selon la spécification de capacité de la bobine de suppression d'arc existante, il est recommandé de régler la capacité du transformateur de mise à la terre à 1,05-1,15 fois la capacité de la bobine de suppression d'arc. Par exemple, la capacité du transformateur de mise à la terre équipé d'une bobine de suppression d'arc de 200 kVA est de 215 kVA.

(2) Courant total traversant le point neutre du transformateur en cas de défaut monophasé du courant de compensation du point neutre :

Où:

U est la tension de ligne du réseau de distribution (V); Zx est l'impédance de la bobine de suppression d'arc (Ω) ;

Zd est l'impédance homopolaire primaire du transformateur de mise à la terre (Ω/phase) ;

Zs est l'impédance du système (Ω);

La durée du courant de compensation du point neutre doit être la même que celle de la bobine de suppression d'arc, qui doit être de 2 heures comme spécifié.

(3) Impédance homopolaire L'impédance homopolaire est un paramètre important du transformateur de mise à la terre, qui a une influence importante sur la protection du relais pour limiter le courant de court-circuit de mise à la terre monophasé et supprimer les surtensions. Pour les transformateurs de mise à la terre connectés en zigzag (type Z) et en étoile/triangle ouvert sans bobines secondaires, il n'y a qu'une seule impédance, à savoir l'impédance homopolaire, afin que le département de fabrication puisse répondre aux exigences du département d'alimentation.

(4) La perte est un paramètre de performance important du transformateur de mise à la terre. Pour un transformateur de mise à la terre avec bobine secondaire, sa perte à vide peut être la même que celle d'un transformateur à double enroulement de même capacité. Pour la perte de charge, lorsque le côté secondaire est en fonctionnement à pleine charge, la perte de charge du côté primaire est inférieure à celle du transformateur à double enroulement de même capacité que le côté secondaire en raison de la faible charge du côté primaire.

(5) Selon la norme nationale, l'élévation de température du transformateur de mise à la terre est la suivante :

1) L'élévation de température sous le courant continu nominal doit être conforme aux dispositions de la norme nationale pour les transformateurs de type sec des transformateurs de puissance générale, mais elle s'applique principalement aux transformateurs de mise à la terre avec une charge fréquente du côté secondaire ;

2) Lorsque la durée du courant de charge de courte durée est inférieure à 10 s (principalement lorsque le point neutre est connecté à la résistance), l'élévation de température doit être conforme aux dispositions du transformateur de puissance standard national sur la limite d'élévation de température en cas de court-circuit les conditions;

3) L'échauffement du transformateur de mise à la terre et de la bobine de suppression d'arc lorsqu'ils fonctionnent ensemble doit être conforme aux dispositions relatives à l'échauffement de la bobine de suppression d'arc : la température de l'enroulement qui traverse en permanence le courant nominal est de 80 K, ce qui s'applique principalement à le transformateur de mise à la terre de la connexion étoile/triangle ouvert ; Pour l'enroulement avec le temps d'écoulement maximal du courant nominal spécifié comme 2h, la température spécifiée est de 100K.

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