Nuo klasifikavimo iki laidų sujungimo režimo – išsamiausias įžeminimo transformatoriaus paaiškinimas

6 kV, 10 kV ir 35 kV elektros tinklai elektros sistemoje paprastai veikia neįžemintu neutraliu režimu. Pagrindinio transformatoriaus žemosios įtampos pusė elektros tinkle paprastai sujungta trikampiu, todėl nėra įžeminto neutralaus taško. Kai neįžemintoje neutralioje sistemoje įvyksta vienfazis įžeminimo gedimas, linijos įtampos trikampis išlieka simetriškas. Elektros sistema gali toliau tiekti energiją vartotojams 1–2 valandas, o talpinė srovė yra santykinai maža (mažesnė nei 10 A), todėl nesukelia pertraukiamo lanko. Kai kurie trumpalaikiai įžeminimo gedimai gali išnykti automatiškai, o tai labai veiksmingai gerina elektros energijos tiekimo patikimumą ir mažina elektros energijos tiekimo sutrikimų skaičių. Tačiau nuolat plečiantis miesto elektros tinklui ir nuolat didėjant išeinančių kabelių linijų skaičiui, sistemos talpinė srovė į žemę smarkiai padidėja, o po vienfazio įžeminimo per gedimo tašką tekanti talpinė srovė yra didelė (daugiau nei 10 A).

Lanką nėra lengva užgesinti, lengva sužadinti feromagnetinio rezonanso viršįtampius ir sukelti pertraukiamą lanko šviesos įžeminimo viršįtampių susidarymą, kuris gali pažeisti izoliaciją, išjungti liniją ir išplėsti avariją.

Konkrečiai:

Vienfazės įžeminimo lanko protarpinis užgesimas ir pakartotinis įsižiebimas sukels lanko įžeminimo viršįtampius, kurių amplitudė siekia iki 4 U (U yra normalios fazės įtampos didžiausia vertė) arba didesnė ir kurie truks ilgai, o tai labai pažeis elektros įrangos izoliaciją ir, esant silpnai izoliacijai, sukels gedimus; dideli nuostoliai.

Nuolatinio lanko sukelta oro disociacija sunaikina aplinkinio oro izoliaciją ir yra linkusi į fazių trumpąjį jungimą.

Feromagnetinio rezonanso viršįtampis gali lengvai perdeginti įtampos transformatorių ir sugadinti iškroviklį, dėl ko jis netgi gali sprogti. Šios pasekmės gali rimtai pažeisti elektros tinklo įrangos izoliaciją ir kelti pavojų saugiam elektros tinklo veikimui.

Norint sumažinti talpinę srovę į žemę vienfazio įžeminimo gedimo atveju, transformatoriaus neutraliame taške būtina įrengti lanko slopinimo ritę ir kitus kompensavimo įtaisus. Todėl neutralų tašką reikia nustatyti rankiniu būdu, kad lanko slopinimo ritę būtų galima prijungti prie neutralaus taško, taip sumažinant įžeminimo trumpojo jungimo nutraukimo srovę ir pagerinant sistemos maitinimo patikimumą.

■ Dabartinis naudojimas šalyje ir užsienyje

Kinijoje įžeminimo transformatoriai paprastai naudoja Z tipo laidus (arba zigzago laidus). Siekiant sutaupyti investicijų ir pastotės vietos, prie įžeminimo transformatoriaus paprastai pridedama trečia apvija, kuri pakeičia transformatorių, naudojamą pastotės įrangai maitinti. Pagal nacionalinį reaktoriaus standartą, įžeminimo transformatoriaus įžeminimo režimą galima suskirstyti į tiesioginį įžeminimą; jis įžeminamas per reaktorių, varžą ir lanko slopinimo ritę. Tiesioginis įžeminimas Kinijoje nebuvo naudojamas, tačiau kai kurie elektros energijos tyrimų skyriai pradėjo svarstyti šį aspektą. Užsienio šalyse įžeminimo transformatoriai paprastai naudoja Z tipo jungtį, kuri naudojama 10 kV neįžemintose sistemose ir yra skirstomojo tinklo įžeminimo apsauga. Kai sistemoje yra įžeminimo gedimas, įžeminimo transformatorius pasižymi didele varža teigiamos ir neigiamos sekos srovei ir maža varža nulinės sekos srovei, todėl įžeminimo apsauga veikia patikimai.

■ Trifazis įžeminimo transformatorius

Trifazis įžeminimo transformatorius Šio tipo transformatoriuje naudojami Z tipo laidai (arba zigzago laidai). Skirtumas nuo įprastų transformatorių yra tas, kad kiekviena fazės ritė yra padalinta į dvi grupes ir apvyniota atvirkščiai aplink šios fazės magnetinį polių. Šio jungimo privalumas yra tas, kad nulinės sekos magnetinis srautas gali tekėti išilgai magnetinio poliaus, o įprastų transformatorių nulinės sekos magnetinis srautas teka magnetinio nuotėkio grandine. Todėl Z tipo įžeminimo transformatorių nulinės sekos varža yra labai maža (apie 10 Ω), o įprastų transformatorių – daug didesnė. Pagal reglamentus, įprasto transformatoriaus su lanko slopinimo rite talpa neturi viršyti 20 % transformatoriaus talpos. Z tipo transformatorius gali būti aprūpintas lanko slopinimo rite, kurios talpa yra 90–100 %. Be lanko slopinimo ritės, įžeminimo transformatorius taip pat gali būti aprūpintas antrine apkrova, kuri gali pakeisti stoties transformatorių, taip sutaupant investicijų sąnaudas.

■ Vienfazis įžeminimo transformatorius

Vienfazis įžeminimo transformatorius Vienfazis įžeminimo transformatorius daugiausia naudojamas generatoriams su neutraliu tašku ir neutralaus taško įžeminimo varžos spintele „Satons“ transformatoriuje, siekiant sumažinti varžos spintelės kainą ir tūrį.

■ Darbinės charakteristikos

(1) Maža nulinės sekos varža, užtikrinanti nulinės sekos srovės išėjimą;

(2) Didelė sužadinimo varža, siekiant sumažinti srovę be apkrovos;

(3) Maži nuostoliai be apkrovos, siekiant sutaupyti energijos suvartojimą kasdieniam darbui.

■ Laidų jungimo režimas

YNyn ryšys

Transformatorius su šiuo prijungimo būdu paprastai naudoja trifazę trijų kolonų geležinę šerdį, o aukštosios įtampos pusės neutralusis taškas gali būti sujungtas su lanko slopinimo rite, kad būtų užtikrintas įžeminimas. Tačiau, kai per aukštosios įtampos pusės apviją teka vienfazė įžeminta nulinės sekos srovė, susidariusio nulinės sekos magnetinio potencialo negali subalansuoti antrinis magnetinis potencialas, o nulinės sekos magnetinis srautas ta pačia kryptimi negali sudaryti kilpos trijų kolonų geležinėje šerdyje, todėl didelis nulinės sekos magnetinio srauto kiekis gali praeiti tik per spaustuką, alyvą ir alyvos bako korpusą, sudarydamas uždarą kilpą, todėl alyvos bake ir spaustuve atsiranda papildomų nuostolių, dėl kurių atsiranda vietinis perkaitimas. Transformatoriaus galios panaudojimas yra ribotas. Atitinkamuose Kinijos energetikos sektoriaus eksploatavimo reglamentuose numatytos šios nuostatos dėl YNyn jungties transformatoriaus neutralaus taško prijungimo lanko slopinimo ritės darbinės būsenos:

(1) Lanko slopinimo ritės talpa neturi viršyti 20 % transformatoriaus vardinės talpos;

(2) Nulinės sekos įtampos kritimas, kurį sukelia transformatoriuje per lanko slopinimo ritę tekanti nulinės sekos srovė, neturi viršyti 10 % vardinės fazės įtampos;

YNd jungties transformatoriaus ir lanko slopinimo ritės XL prijungimo režimui būdinga tai, kad trikampė jungtis antrinėje pusėje gali sudaryti uždarą nulinės sekos srovės kelią, todėl nulinės sekos reaktyvumas yra mažas. Be to, kadangi kiekvienos šerdies kolonėlės pirminės ir antrinės apvijų nulinės sekos magnetinis potencialas yra subalansuotas, nulinės sekos magnetinis nuotėkis taip pat yra mažas. Tačiau, kai YN jungties apvija yra išorėje, negalima visiškai išvengti nulinės sekos papildomų nuostolių alyvos bake ir kituose komponentuose. Kai ji prijungta prie lanko slopinimo ritės, jos talpos panaudojimas vis tiek bus ribotas. Užsienio bandymų tyrimai rodo, kad leistinas YNd jungties įžeminimo transformatoriaus darbo režimas yra:

(1) Kai antrinė pilna apkrova yra normali, YN pusėje prijungtos lanko slopinimo ritės talpa neturi viršyti 50 % transformatoriaus vardinės talpos;

(2) Kai antrinė apkrova įprastu metu sudaro tik 50 % transformatoriaus talpos, lanko slopinimo ritės talpa gali būti lygi transformatoriaus vardinei talpai.

Nors šios jungties antrinė pusė gali tiekti energiją regioninėms apkrovoms arba pačiai pastotei, jos taikymas bus labai ribotas, nes trikampiu ryšiu sunku vienu metu tiekti energiją hibridinės energijos ir apšvietimo vartotojams.

YN, atviras d jungimas, jungiamas su lanko slopinimo rite XL, kuri yra panaši į YNd jungtį. Atviro d jungimo būdas gali būti prijungtas prie rezistoriaus arba reaktoriaus atviro trikampio pusėje, kad būtų galima reguliuoti transformatoriaus nulinės sekos reaktyvumą, o rezistoriaus jungtis taip pat gali slopinti tinklo feromagnetinį rezonansą. Jei naudojama trifazė penkių kolonų geležinė šerdis, nulinės sekos varžos vertė taip pat gali būti gerokai padidinta, ir netgi galima atsisakyti lanko slopinimo ritės, tačiau konstrukcija yra sudėtinga ir padidėja kaina. Be to, atviro trikampio jungimo antrinis naudojimas negali patenkinti regioninių apkrovų ir savarankiško naudojimo energijos tiekimo poreikių, todėl šis metodas nėra plačiai naudojamas.

ZN, yn jungties transformatorius prijungtas prie lanko slopinimo rite XL, kuri yra įprastas įžeminimo transformatoriaus prijungimo būdas. Kadangi zigzago jungimo metodo viršutinės ir apatinės apvijų pusėse toje pačioje geležinėje šerdyje nulinės sekos magnetinis potencialas yra vienodo dydžio ir priešingos krypties, todėl vienas kitą neutralizuoja, nulinės sekos nuotėkio srautas sumažėja iki labai mažos vertės, todėl jo nulinės sekos reaktyvioji varža yra labai maža, o jo talpa gali būti lygi prijungtos lanko slopinimo ritės talpai.

Įžeminimo transformatorius, plačiai naudojamas tiek namuose, tiek užsienyje, dažniausiai jungiamas tokiu būdu. Kadangi žemosios įtampos pusėje naudojamas yn sandūros metodas, jis gali tiekti vietinę energiją arba pastotės savarankišką energiją vienu metu. Žemosios įtampos pusės galia paprastai yra mažesnė nei aukštosios įtampos pusės. Daugeliu atvejų žemosios įtampos pusės galia yra 80–200 kVA diapazone.

Nors aukštosios įtampos pusės vardinė galia gali būti lygi prijungtos lanko slopinimo ritės galiai, Z formos jungtis turės 1,15 karto daugiau vijų nei Y formos jungtis, todėl faktinė įžeminimo transformatoriaus galia turėtų būti 1,15 karto didesnė už lanko slopinimo ritės galią.

■ Veikimo principas

Įžeminimo transformatoriaus veikimo principo schema, esant vienfaziam gedimui sistemoje, iliustruojama bendra ZNyn laidų schema. Kai įžeminimo transformatorius veikimo metu praeina tam tikro dydžio nulinės sekos srovę, srovė, tekanti per dvi vienfazes apvijas ant tos pačios geležies šerdies kolonėlės, yra priešingų krypčių ir vienodo dydžio, todėl nulinės sekos srovės sukuriamas magnetinis potencialas yra kaip tik priešingas poslinkiui, todėl nulinės sekos varža taip pat yra labai maža.

Kai įžeminimo transformatorius sugenda, per neutralųjį tašką gali tekėti kompensacinė srovė. Dėl mažos nulinės sekos varžos, praeinant nulinės sekos srovei, susidarantis varžos įtampos kritimas turėtų būti kuo mažesnis, kad būtų užtikrintas sistemos saugumas. Kadangi įžeminimo transformatorius pasižymi maža nulinės sekos varža, kai C fazėje įvyksta vienfazis įžeminimo gedimas, C fazės įžeminimo srovė I per žemę teka į neutralųjį tašką ir yra padalinta į tris lygias dalis, kad tekėtų į įžeminimo transformatorių. Kadangi į įžeminimo transformatorių tekančios trifazės srovės yra vienodos, neutralaus taško N poslinkis išlieka nepakitęs, o trifazės linijos įtampa išlieka simetriška.

Tačiau gamybos procese aukštos įtampos apvijos viršutinės ir apatinės apvijų vijos ir geometriniai matmenys negali būti visiškai vienodi, todėl nulinės sekos srovės generuojamas magnetinis potencialas negali būti tiksliai perkeltas priešinga kryptimi, tačiau vis tiek sukuriama tam tikra nulinės sekos varža, paprastai apie 6–10 Ω. Palyginti su žvaigždiniu būdu sujungto transformatoriaus 600 Ω nulinės sekos varža, jo privalumai yra akivaizdūs. Be to, zigzago įžeminimo transformatorius taip pat gali kuo labiau sumažinti tuščiosios eigos srovę ir tuščiosios eigos nuostolius. Palyginti su įprastu žvaigždiniu būdu sujungtu transformatoriumi, zigzago būdu sujungto transformatoriaus kiekviena fazinė geležinė šerdis sudaryta iš dviejų geležinių šerdžių kolonų apvijų. Remiantis jo vektorine diagrama, palyginti su įprastu žvaigždiniu būdu sujungtu transformatoriumi, esant tokiai pačiai įtampai, jį reikia apvynioti 1,16 karto daugiau. Miesto skirstomojo tinklo su vienfaziu įžeminimu neutralaus taško varžos įžeminimo režimu nulinės sekos varžos ir teigiamos sekos varžos amplitudės labai skiriasi. Kai teka trifazės teigiamos ir neigiamos sekos srovės, kiekvieno įžeminimo transformatoriaus geležinės šerdies stulpelio magnetinis potencialas yra lygus dviejų skirtingų fazių apvijų, esančių ant geležinės šerdies stulpelio, fazorių magnetinio potencialo sumai. Trijų geležinės šerdies stulpelių magnetinis potencialas yra trifazių pusiausvyros dydžių grupė, kurios fazių skirtumas yra 120 °. Sukurtas magnetinis srautas gali sudaryti kilpą ant trijų geležinės šerdies stulpelių. Magnetinės grandinės magnetinė varža yra maža, magnetinis srautas didelis, o indukuotas potencialas didelis, todėl teigiamos ir neigiamos sekos varža yra didelė; Todėl įžeminimo transformatorius pasižymi didele teigiamos ir neigiamos sekos varža bei maža nulinės sekos varža.

■ Pagrindiniai techniniai parametrai

Siekiant patenkinti lanko slopinimo ritės įžeminimo kompensavimo poreikius skirstomajame tinkle, taip pat pastotės galios ir apšvietimo apkrovos poreikius, parenkamas Z tipo jungimo transformatorius, o pagrindiniai įžeminimo transformatoriaus parametrai turi būti pagrįstai nustatyti.

(1) Įžeminimo transformatoriaus su vardine galia pirminės pusės galia turi atitikti lanko slopinimo ritės galią. Remiantis esamos lanko slopinimo ritės galios specifikacija, rekomenduojama įžeminimo transformatoriaus galią nustatyti 1,05–1,15 karto didesnę už lanko slopinimo ritės galią. Pavyzdžiui, įžeminimo transformatoriaus su viena 200 kVA lanko slopinimo rite galia yra 215 kVA.

(2) Bendra srovė, tekanti per transformatoriaus neutralųjį tašką, esant vienfaziam neutraliojo taško kompensavimo srovės gedimui:

Kur:

U – skirstomojo tinklo įtampa (V); Zx – lanko gesinimo ritės varža (Ω);

Zd yra įžeminimo transformatoriaus pirminė nulinės sekos varža (Ω/fazė);

Zs yra sistemos varža (Ω);

Neutralaus taško kompensavimo srovės trukmė turi būti tokia pati kaip lanko gesinimo ritės, kuri, kaip nurodyta, turi būti 2 valandos.

(3) Nulinės sekos varža Nulinės sekos varža yra svarbus įžeminimo transformatoriaus parametras, turintis didelę įtaką relinės apsaugos parametrams, siekiant apriboti vienfazio įžeminimo trumpojo jungimo srovę ir slopinti viršįtampius. Zigzago (Z tipo) ir žvaigždės/atviros delta jungties įžeminimo transformatoriams be antrinių ričių yra tik viena varža – nulinės sekos varža, kad gamybos skyrius galėtų patenkinti energetikos skyriaus reikalavimus.

(4) Nuostoliai yra svarbus įžeminimo transformatoriaus veikimo parametras. Įžeminimo transformatoriaus su antrine rite tuščiosios eigos nuostoliai gali būti tokie patys kaip ir dvigubos apvijos transformatoriaus, kurio talpa tokia pati. Kalbant apie apkrovos nuostolius, kai antrinė pusė veikia pilna apkrova, pirminės pusės apkrovos nuostoliai yra mažesni nei dvigubos apvijos transformatoriaus, kurio talpa tokia pati kaip antrinės pusės, dėl mažos pirminės pusės apkrovos.

(5) Pagal nacionalinį standartą įžeminimo transformatoriaus temperatūros kilimas yra toks:

1) Temperatūros kilimas esant vardinei nuolatinei srovei turi atitikti nacionalinio standarto, skirto bendrosios galios transformatorių sausojo tipo transformatoriams, nuostatas, tačiau jis daugiausia taikomas įžeminimo transformatoriams, kurių antrinė pusė dažnai apkraunama;

2) Kai trumpalaikės apkrovos srovės trukmė yra mažesnė nei 10 s (daugiausia kai neutralus taškas yra sujungtas su varža), temperatūros kilimas turi atitikti nacionalinio standarto galios transformatoriaus temperatūros kilimo ribos nuostatas trumpojo jungimo sąlygomis;

3) Įžeminimo transformatoriaus ir lanko gesinimo ritės temperatūros kilimas, kai jie veikia kartu, turi atitikti lanko gesinimo ritės temperatūros kilimo nuostatas: apvijos, kuria nuolat teka vardinė srovė, temperatūra yra 80 K, o tai daugiausia taikoma žvaigždės / atviro trikampio jungimo įžeminimo transformatoriui; apvijai, kurios maksimalus vardinės srovės tekėjimo laikas yra 2 val., nurodyta temperatūra yra 100 K.