Dalla classificazione alla modalità di cablaggio, la spiegazione più completa del trasformatore di messa a terra

Le reti elettriche a 6 kV, 10 kV e 35 kV del sistema elettrico adottano generalmente la modalità di funzionamento con neutro non messo a terra. Il lato a bassa tensione del trasformatore principale nella rete elettrica è generalmente collegato a triangolo e non esiste un punto neutro che possa essere messo a terra. Quando si verifica un guasto a terra monofase in un sistema con neutro non messo a terra, il triangolo di tensione di linea rimane simmetrico. Il sistema elettrico può continuare a fornire energia agli utenti per 1 o 2 ore e la corrente capacitiva è relativamente bassa (inferiore a 10 A), il che non provoca archi intermittenti. Alcuni guasti a terra transitori possono scomparire automaticamente, il che è molto efficace per migliorare l'affidabilità dell'alimentazione elettrica e ridurre gli incidenti dovuti a interruzioni di corrente. Tuttavia, con la continua espansione della rete elettrica urbana e il continuo aumento delle linee di uscita dei cavi, la corrente capacitiva del sistema verso terra aumenta bruscamente e la corrente capacitiva che scorre attraverso il punto di guasto dopo la messa a terra monofase è elevata (superiore a 10 A).

L'arco non è facile da estinguere, è facile eccitare la risonanza ferromagnetica sovratensione e produrre sovratensione intermittente di messa a terra della luce dell'arco, che può causare danni all'isolamento, far scattare la linea ed estendere l'incidente

Nello specifico:

L'estinzione e la riaccensione intermittenti dell'arco di messa a terra monofase produrranno una sovratensione di messa a terra con ampiezza fino a 4U (dove U è il valore di picco della tensione di fase normale) o superiore e di lunga durata, che causerà gravi danni all'isolamento delle apparecchiature elettriche e provocherà guasti in corrispondenza di isolamenti deboli; causerà ingenti perdite.

La dissociazione dell'aria causata dall'arco continuo distrugge l'isolamento dell'aria circostante ed è soggetta a cortocircuiti tra le fasi.

Una sovratensione dovuta alla risonanza ferromagnetica può facilmente bruciare il trasformatore di tensione e danneggiare lo scaricatore, arrivando persino a provocarne l'esplosione. Queste conseguenze comprometterebbero seriamente l'isolamento delle apparecchiature della rete elettrica e metterebbero a repentaglio la sicurezza del suo funzionamento.

Al fine di ridurre la corrente capacitiva verso terra in caso di guasto a terra monofase, è necessario installare una bobina di soppressione dell'arco e altri dispositivi di compensazione nel punto neutro del trasformatore. Pertanto, è necessario stabilire manualmente un punto neutro in modo che la bobina di soppressione dell'arco possa essere collegata al punto neutro per ridurre la corrente di interruzione del cortocircuito a terra e migliorare l'affidabilità dell'alimentazione del sistema.

■ Uso attuale in patria e all'estero

In Cina, il trasformatore di terra adotta solitamente un cablaggio a Z (o a zig-zag). Per risparmiare sugli investimenti e sullo spazio della sottostazione, viene generalmente aggiunto un terzo avvolgimento al trasformatore di terra, in sostituzione di quello utilizzato per alimentare le apparecchiature della sottostazione. Secondo lo standard nazionale sui reattori, la modalità di messa a terra del trasformatore può essere suddivisa in messa a terra diretta, che avviene tramite reattore, resistenza e bobina di soppressione dell'arco. La messa a terra diretta non è ancora utilizzata in Cina, ma alcuni dipartimenti di ricerca nel settore dell'energia elettrica hanno iniziato a discuterne. All'estero, il trasformatore di terra adotta solitamente una connessione a Z, utilizzata per sistemi a 10 kV non messi a terra e che costituisce la protezione di terra della rete di distribuzione. In caso di guasto a terra, il trasformatore di terra presenta un'elevata impedenza alle correnti di sequenza positiva e negativa e una bassa resistenza alle correnti di sequenza zero, garantendo un funzionamento affidabile della protezione di terra.

■ Trasformatore di messa a terra trifase

Trasformatore di messa a terra trifase. Questo tipo di trasformatore utilizza un cablaggio a Z (o a zig-zag). La differenza rispetto ai trasformatori ordinari è che ogni bobina di fase è divisa in due gruppi e avvolta sul polo magnetico di questa fase in senso inverso. Il vantaggio di questo collegamento è che il flusso magnetico di sequenza zero può fluire lungo il polo magnetico, mentre il flusso magnetico di sequenza zero dei trasformatori ordinari fluisce lungo il circuito di dispersione magnetica. Pertanto, l'impedenza di sequenza zero dei trasformatori di messa a terra a Z è molto bassa (circa 10 Ω), mentre quella dei trasformatori ordinari è molto più alta. Secondo le normative, la capacità di un trasformatore ordinario con bobina di soppressione dell'arco non deve superare il 20% della capacità del trasformatore. Un trasformatore a Z può essere dotato di una bobina di soppressione dell'arco con una capacità del 90%~100%. Oltre alla bobina di soppressione dell'arco, il trasformatore di messa a terra può anche essere dotato di un carico secondario, che può sostituire il trasformatore di stazione, riducendo così i costi di investimento.

■ Trasformatore di messa a terra monofase

Trasformatore di messa a terra monofase Il trasformatore di messa a terra monofase viene utilizzato principalmente per generatori con punto neutro e armadio di resistenza di messa a terra del punto neutro del trasformatore Satons per ridurre il costo e il volume dell'armadio di resistenza.

■ Caratteristiche di funzionamento

(1) Bassa impedenza di sequenza zero per garantire l'uscita di corrente di sequenza zero;

(2) Elevata impedenza di eccitazione per ridurre la corrente a vuoto;

(3) Bassa perdita a vuoto per risparmiare il consumo di energia durante il funzionamento quotidiano.

■ Modalità di cablaggio

Connessione YNyn

Il trasformatore con questa modalità di connessione adotta generalmente un nucleo di ferro trifase a tre colonne e il punto neutro sul lato alta tensione può essere collegato a una bobina di soppressione dell'arco per realizzare la messa a terra. Tuttavia, quando la corrente monofase di sequenza zero con messa a terra scorre attraverso l'avvolgimento del lato alta tensione, il potenziale magnetico di sequenza zero generato non può essere bilanciato dal potenziale magnetico secondario e il flusso magnetico di sequenza zero nella stessa direzione non può formare un circuito chiuso nel nucleo di ferro a tre colonne, cosicché una grande quantità di flusso magnetico di sequenza zero può passare solo attraverso il morsetto, l'olio e il corpo del serbatoio dell'olio per formare un circuito chiuso, causando così perdite aggiuntive nel serbatoio dell'olio e nel morsetto, con conseguente surriscaldamento locale e limitazione dell'utilizzo della capacità del trasformatore. Le normative operative pertinenti del settore energetico cinese hanno stabilito le seguenti disposizioni sullo stato di funzionamento della bobina di soppressione dell'arco con collegamento al punto neutro del trasformatore con connessione YNyn:

(1) La capacità della bobina di soppressione dell'arco non deve superare il 20% della capacità nominale del trasformatore;

(2) La caduta di tensione di sequenza zero generata dalla corrente di sequenza zero che scorre attraverso la bobina di soppressione dell'arco nel trasformatore non deve superare il 10% della tensione di fase nominale;

La modalità di collegamento del trasformatore di connessione YNd e della bobina di soppressione dell'arco XL è caratterizzata dal fatto che la connessione triangolare sul lato secondario può fornire un percorso chiuso per la corrente di sequenza zero, quindi la reattanza di sequenza zero è piccola. Inoltre, poiché il potenziale magnetico di sequenza zero degli avvolgimenti primario e secondario su ciascuna colonna del nucleo è bilanciato, anche la dispersione magnetica di sequenza zero è piccola. Tuttavia, quando l'avvolgimento di connessione YN è esterno, le perdite aggiuntive di sequenza zero causate nel serbatoio dell'olio e in altri componenti non possono essere completamente evitate. Quando è collegato alla bobina di soppressione dell'arco, l'utilizzo della sua capacità sarà comunque limitato. Le ricerche di prova all'estero mostrano che la modalità di funzionamento consentita del trasformatore di messa a terra con connessione YNd è:

(1) Quando il carico secondario è normale, la capacità della bobina di soppressione dell'arco collegata al lato YN non deve superare il 50% della capacità nominale del trasformatore;

(2) Quando il carico secondario è solo il 50% della capacità del trasformatore in condizioni normali, la capacità della bobina di soppressione dell'arco può essere pari alla capacità nominale del trasformatore.

Sebbene il lato secondario di questa connessione possa alimentare carichi regionali o la sottostazione stessa, la sua applicazione sarà fortemente limitata poiché la connessione triangolare rende difficile l'alimentazione simultanea di utenti con esigenze ibride di energia elettrica e illuminazione.

La connessione YN, a triangolo aperto, è collegata con la bobina di soppressione dell'arco XL, che è simile alla connessione YNd. La modalità di connessione a triangolo aperto può essere collegata con una resistenza o un reattore sul lato del triangolo aperto per regolare la reattanza di sequenza zero del trasformatore, e il collegamento della resistenza può anche sopprimere la risonanza ferromagnetica della rete. Se si adotta un nucleo di ferro trifase a cinque colonne, il valore dell'impedenza di sequenza zero può anche essere notevolmente aumentato, ed è persino possibile omettere una bobina di soppressione dell'arco, ma la struttura è complessa e il costo aumenta. Inoltre, l'uso secondario della connessione a triangolo aperto può soddisfare le esigenze di alimentazione di carichi regionali e di autoconsumo, quindi questo metodo non è ampiamente utilizzato.

Il trasformatore con collegamento ZN, yn è collegato con la bobina di soppressione dell'arco XL, che è una modalità di collegamento comune per i trasformatori di messa a terra. Poiché il potenziale magnetico di sequenza zero negli avvolgimenti superiore e inferiore sulla stessa colonna di nucleo di ferro del metodo di collegamento a zigzag è esattamente della stessa entità e direzione opposta, il che si annulla a vicenda, il flusso di dispersione di sequenza zero è ridotto a un valore molto piccolo, in modo che il suo valore di reattanza di sequenza zero sia molto piccolo e la sua capacità possa essere uguale alla capacità della bobina di soppressione dell'arco collegata.

Il trasformatore di messa a terra, ampiamente utilizzato sia in patria che all'estero, è principalmente collegato in questo modo. Poiché sul lato a bassa tensione viene adottato il metodo di giunzione yn, può alimentare contemporaneamente la rete locale o l'autoconsumo della sottostazione. La potenza del lato a bassa tensione è solitamente inferiore a quella del lato ad alta tensione. Nella maggior parte dei casi, la potenza del lato a bassa tensione è compresa tra 80 e 200 kVA.

Sebbene la capacità nominale del lato ad alta tensione possa essere uguale alla capacità della bobina di soppressione dell'arco collegata, il collegamento a Z avrà 1,15 volte più spire rispetto al collegamento a Y, quindi la capacità effettiva del trasformatore di messa a terra dovrebbe essere 1,15 volte la capacità della bobina di soppressione dell'arco.

■ Principio di funzionamento

Lo schema di funzionamento del trasformatore di messa a terra in caso di guasto monofase nel sistema è illustrato dal comune cablaggio ZNyn. Quando il trasformatore di messa a terra attraversa una corrente di sequenza zero di una certa entità durante il funzionamento, la corrente che scorre attraverso i due avvolgimenti monofase sullo stesso nucleo di ferro ha direzione opposta e uguale intensità, in modo che il potenziale magnetico generato dalla corrente di sequenza zero sia esattamente opposto allo sfasamento, cosicché anche l'impedenza di sequenza zero è molto piccola.

Quando il trasformatore di messa a terra si guasta, la corrente di compensazione può fluire attraverso il punto neutro. A causa della bassa impedenza di sequenza zero, quando la corrente di sequenza zero lo attraversa, la caduta di tensione di impedenza generata dovrebbe essere la più piccola possibile per garantire la sicurezza del sistema. Poiché il trasformatore di messa a terra ha le caratteristiche di una bassa impedenza di sequenza zero, quando si verifica un guasto a terra monofase nella fase C, la corrente di terra di fase C I fluisce nel punto neutro attraverso la terra e si divide in tre parti uguali per fluire nel trasformatore di messa a terra. Poiché le correnti trifase che fluiscono nel trasformatore di messa a terra sono uguali, lo spostamento del punto neutro N rimane invariato e la tensione di linea trifase rimane simmetrica.

Tuttavia, nel processo di fabbricazione, le spire e le dimensioni geometriche degli avvolgimenti superiore e inferiore dell'avvolgimento ad alta tensione non possono essere completamente uguali, il che rende impossibile che il potenziale magnetico generato dalla corrente di sequenza zero sia esattamente compensato nella direzione opposta, e genera comunque una certa impedenza di sequenza zero, solitamente di circa 6-10 Ω. Rispetto all'impedenza di sequenza zero del trasformatore a stella di 600 Ω, i suoi vantaggi sono evidenti. Inoltre, il trasformatore con messa a terra a zig-zag può anche ridurre al minimo la corrente a vuoto e le perdite a vuoto. Rispetto a un normale trasformatore a stella, ogni nucleo di ferro di fase del trasformatore a zig-zag è composto dagli avvolgimenti di due colonne di nucleo di ferro. Secondo il suo diagramma vettoriale, rispetto a un normale trasformatore a stella, è necessario avvolgerlo 1,16 volte di più a parità di tensione. L'ampiezza dell'impedenza di sequenza zero e dell'impedenza di sequenza positiva della rete di distribuzione urbana con messa a terra monofase in modalità di messa a terra della resistenza del punto neutro differisce notevolmente. Quando scorrono correnti trifase di sequenza positiva e negativa, il potenziale magnetico su ciascuna colonna del nucleo di ferro del trasformatore di messa a terra è la somma dei fasori del potenziale magnetico dei due avvolgimenti di fasi diverse sulla colonna del nucleo di ferro. Il potenziale magnetico sui tre pilastri del nucleo di ferro è un insieme di grandezze di equilibrio trifase con una differenza di fase di 120°. Il flusso magnetico generato può formare un circuito sui tre pilastri del nucleo di ferro. La resistenza magnetica del circuito magnetico è piccola, il flusso magnetico è grande e il potenziale indotto è grande, mostrando un'elevata impedenza di sequenza positiva e negativa; pertanto, il trasformatore di messa a terra ha le caratteristiche di un'elevata impedenza di sequenza positiva e negativa e di una bassa impedenza di sequenza zero.

■ Principali parametri tecnici

Al fine di soddisfare le esigenze di compensazione della messa a terra delle bobine di soppressione dell'arco nella rete di distribuzione, e al contempo soddisfare le esigenze di alimentazione della sottostazione e di carico di illuminazione, viene scelto un trasformatore di collegamento di tipo Z, e i parametri principali del trasformatore di messa a terra devono essere impostati in modo appropriato.

(1) La capacità del lato primario del trasformatore di messa a terra con capacità nominale deve corrispondere alla capacità della bobina di soppressione dell'arco. In base alle specifiche di capacità della bobina di soppressione dell'arco esistente, si raccomanda di impostare la capacità del trasformatore di messa a terra a 1,05-1,15 volte la capacità della bobina di soppressione dell'arco. Ad esempio, la capacità del trasformatore di messa a terra dotato di una bobina di soppressione dell'arco da 200 kVA è di 215 kVA.

(2) Corrente totale che scorre attraverso il punto neutro del trasformatore in caso di guasto monofase della corrente di compensazione del punto neutro:

Dove:

U è la tensione di linea della rete di distribuzione (V); Zx è l'impedenza della bobina di soppressione dell'arco (Ω);

Zd è l'impedenza primaria di sequenza zero del trasformatore di messa a terra (Ω/fase);

Zs è l'impedenza del sistema (Ω);

La durata della corrente di compensazione del punto neutro deve essere la stessa di quella della bobina di soppressione dell'arco, ovvero 2 ore come specificato.

(3) Impedenza di sequenza zero L'impedenza di sequenza zero è un parametro importante del trasformatore di messa a terra, che ha un'influenza importante sulla protezione a relè per limitare la corrente di cortocircuito di messa a terra monofase e sopprimere la sovratensione. Per i trasformatori di messa a terra collegati a zigzag (tipo Z) e a stella/triangolo aperto senza avvolgimenti secondari, esiste una sola impedenza, ovvero l'impedenza di sequenza zero, in modo che il reparto di produzione possa soddisfare i requisiti del reparto energia.

(4) La perdita è un importante parametro prestazionale del trasformatore di messa a terra. Per un trasformatore di messa a terra con avvolgimento secondario, la sua perdita a vuoto può essere uguale a quella di un trasformatore a doppio avvolgimento con la stessa capacità. Per quanto riguarda la perdita a carico, quando il lato secondario è in funzione a pieno carico, la perdita a carico del lato primario è inferiore a quella di un trasformatore a doppio avvolgimento con la stessa capacità del lato secondario a causa del carico ridotto del lato primario.

(5) Secondo la norma nazionale, l'aumento di temperatura del trasformatore di messa a terra è il seguente:

1) L'aumento di temperatura sotto la corrente nominale continua deve essere conforme alle disposizioni della norma nazionale per i trasformatori a secco dei trasformatori di potenza generici, ma è principalmente applicabile ai trasformatori di messa a terra con carico frequente sul lato secondario;

2) Quando la durata della corrente di carico di breve durata è inferiore a 10 secondi (principalmente quando il punto neutro è collegato alla resistenza), l'aumento di temperatura deve essere conforme alle disposizioni della norma nazionale sui trasformatori di potenza in merito al limite di aumento di temperatura in condizioni di cortocircuito;

3) L'aumento di temperatura del trasformatore di messa a terra e della bobina di soppressione dell'arco, quando operano insieme, deve essere conforme alle disposizioni relative all'aumento di temperatura della bobina di soppressione dell'arco: la temperatura dell'avvolgimento attraversato continuamente dalla corrente nominale è di 80 K, applicabile principalmente al trasformatore di messa a terra con collegamento stella/triangolo aperto; per l'avvolgimento con un tempo massimo di flusso della corrente nominale specificato pari a 2 ore, la temperatura specificata è di 100 K.