Od klasyfikacji do sposobu okablowania – najbardziej kompleksowe wyjaśnienie transformatora uziemiającego

Sieci elektroenergetyczne 6 kV, 10 kV i 35 kV w systemie elektroenergetycznym zazwyczaj przyjmują tryb pracy z nieuziemionym punktem neutralnym. Strona niskiego napięcia głównego transformatora w sieci elektroenergetycznej jest zazwyczaj połączona w trójkąt i nie ma punktu neutralnego, który można by uziemić. W przypadku wystąpienia zwarcia doziemnego w systemie jednofazowym bez uziemienia, trójkąt napięcia sieciowego pozostaje symetryczny. System elektroenergetyczny może nadal dostarczać energię elektryczną do użytkowników przez 1 do 2 godzin, a prąd pojemnościowy jest stosunkowo niewielki (poniżej 10 A), co nie powoduje przerywanego łuku elektrycznego. Niektóre przejściowe zwarcia doziemne mogą zanikać automatycznie, co jest bardzo skuteczne w poprawie niezawodności zasilania i zmniejszeniu liczby przerw w dostawie prądu. Jednak wraz z ciągłą rozbudową miejskiej sieci elektroenergetycznej i ciągłym wzrostem liczby linii kablowych odchodzących od sieci, prąd pojemnościowy systemu do ziemi gwałtownie wzrasta, a prąd pojemnościowy płynący przez punkt zwarcia po uziemieniu jednofazowym jest duży (ponad 10 A).

Łuk nie jest łatwy do ugaszenia, łatwo jest wzbudzić przepięcie rezonansu ferromagnetycznego i wytworzyć przerywane lekkie przepięcie uziemienia łuku, które może spowodować uszkodzenie izolacji, wyłączenie linii i rozszerzenie awarii.

Swoiście:

Okresowe gaszenie i ponowne zapłony jednofazowego łuku uziemiającego powodują przepięcia łuku uziemiającego o amplitudzie do 4U (U jest szczytową wartością normalnego napięcia fazowego) lub wyższej i długim czasie trwania, co powoduje poważne uszkodzenie izolacji urządzeń elektrycznych i powoduje przebicie w przypadku słabej izolacji; powoduje duże straty.

Dysocjacja powietrza spowodowana ciągłym łukiem elektrycznym niszczy izolację otaczającego powietrza i jest podatna na zwarcia międzyfazowe.

Przepięcia rezonansu ferromagnetycznego mogą łatwo doprowadzić do przepalenia transformatora napięciowego i uszkodzenia ogranicznika, a nawet jego eksplozji. Konsekwencje te poważnie zagrażają izolacji urządzeń sieci elektroenergetycznej i jej bezpiecznej eksploatacji.

Aby zmniejszyć prąd pojemnościowy do ziemi w przypadku zwarcia doziemnego jednofazowego, konieczne jest zainstalowanie dławika gaszącego i innych urządzeń kompensacyjnych w punkcie neutralnym transformatora. W związku z tym konieczne jest ręczne ustalenie punktu neutralnego, aby cewka gasząca mogła być podłączona w tym punkcie, co pozwoli na zmniejszenie prądu wyłączającego zwarcie doziemne i poprawę niezawodności zasilania systemu.

■ Aktualne zastosowanie w kraju i za granicą

Transformator uziemiający w Chinach zazwyczaj wykorzystuje okablowanie typu Z (lub okablowanie zygzakowate). Aby zaoszczędzić na inwestycji i przestrzeni w podstacji, do transformatora uziemiającego zazwyczaj dodaje się trzecie uzwojenie, które zastępuje transformator zasilający urządzenia w podstacji. Zgodnie z krajową normą dotyczącą reaktorów, tryb uziemienia transformatora uziemiającego można podzielić na uziemienie bezpośrednie; jest ono uziemione poprzez dławik, rezystor i cewkę gaszącą łuk elektryczny. Uziemienie bezpośrednie nie jest stosowane w Chinach, ale niektóre wydziały badań nad energią elektryczną zaczęły rozważać ten aspekt. Transformator uziemiający w krajach zagranicznych zazwyczaj wykorzystuje połączenie typu Z, które jest stosowane w nieuziemionych systemach 10 kV i stanowi zabezpieczenie uziemienia sieci dystrybucyjnej. W przypadku zwarcia doziemnego w systemie, transformator uziemiający charakteryzuje się wysoką impedancją dla prądu składowej zgodnej i przeciwnej oraz niską rezystancją dla prądu składowej zerowej, co zapewnia niezawodne działanie zabezpieczenia uziemiającego.

■ Trójfazowy transformator uziemiający

Trójfazowy transformator uziemiający Ten typ transformatora wykorzystuje okablowanie typu Z (lub okablowanie zygzakowate). Różnica w stosunku do zwykłych transformatorów polega na tym, że każda cewka fazowa jest podzielona na dwie grupy i nawinięta na biegunie magnetycznym tej fazy odwrotnie. Zaletą tego połączenia jest to, że strumień magnetyczny składowej zerowej może płynąć wzdłuż bieguna magnetycznego, podczas gdy strumień magnetyczny składowej zerowej zwykłych transformatorów płynie wzdłuż obwodu upływu magnetycznego. Dlatego impedancja składowej zerowej transformatorów uziemiających typu Z jest bardzo mała (około 10 Ω), podczas gdy zwykłych transformatorów jest znacznie większa. Zgodnie z przepisami, pojemność zwykłego transformatora z cewką gaszenia łuku nie może przekraczać 20% pojemności transformatora. Transformator typu Z może być wyposażony w cewkę gaszenia łuku o pojemności 90%~100%. Oprócz cewki gaszenia łuku, transformator uziemiający może być również wyposażony w obciążenie wtórne, które może zastąpić transformator stacyjny, oszczędzając w ten sposób koszty inwestycji.

■ Transformator uziemiający jednofazowy

Jednofazowy transformator uziemiający Jednofazowy transformator uziemiający jest stosowany głównie w generatorach z punktem neutralnym i szafą rezystancji uziemienia punktu neutralnego transformatora Satons w celu zmniejszenia kosztów i objętości szafy rezystancji.

■ Charakterystyka pracy

(1) Niska impedancja składowej zerowej zapewniająca wyjście prądu składowej zerowej;

(2) Wysoka impedancja wzbudzenia w celu zmniejszenia prądu jałowego;

(3) Niskie straty energii bez obciążenia pozwalają oszczędzać energię potrzebną do codziennej pracy.

■ Tryb okablowania

Połączenie YNyn

Transformator z tym trybem połączenia zazwyczaj wykorzystuje trójfazowy, trójkolumnowy rdzeń żelazny, a punkt neutralny po stronie wysokiego napięcia można połączyć z cewką gaszącą łuk elektryczny w celu uziemienia. Jednakże, gdy jednofazowy, uziemiony prąd składowej zerowej przepływa przez uzwojenie strony wysokiego napięcia, generowany potencjał magnetyczny składowej zerowej nie może być zrównoważony przez wtórny potencjał magnetyczny, a strumień magnetyczny składowej zerowej w tym samym kierunku nie może utworzyć pętli w trójkolumnowym rdzeniu żelaznym. W rezultacie duża ilość strumienia magnetycznego składowej zerowej może przepływać tylko przez zacisk, olej i korpus zbiornika oleju, tworząc zamkniętą pętlę. Powoduje to dodatkowe straty w zbiorniku oleju i zacisku, co skutkuje lokalnym przegrzaniem. Wykorzystanie mocy transformatora jest ograniczone. Odpowiednie przepisy chińskiego sektora energetycznego wprowadziły następujące regulacje dotyczące stanu roboczego cewki gaszącej łuk elektryczny w punkcie neutralnym transformatora YNyn:

(1) Moc cewki gaszącej łuk elektryczny nie może przekraczać 20% mocy znamionowej transformatora;

(2) Spadek napięcia składowej zerowej generowany przez prąd składowej zerowej przepływający przez cewkę gaszenia łuku elektrycznego w transformatorze nie może przekraczać 10% znamionowego napięcia fazowego;

Sposób połączenia transformatora uziemiającego YNd i cewek gaszenia łuku elektrycznego XL charakteryzuje się tym, że trójkątne połączenie po stronie wtórnej zapewnia zamkniętą ścieżkę prądu składowej zerowej, dzięki czemu reaktancja składowej zerowej jest niewielka. Ponadto, ponieważ potencjał magnetyczny składowej zerowej uzwojeń pierwotnego i wtórnego na każdej kolumnie rdzenia jest zrównoważony, upływ magnetyczny składowej zerowej jest również niewielki. Jednakże, gdy uzwojenie połączenia YNd znajduje się na zewnątrz, nie można całkowicie uniknąć dodatkowych strat składowej zerowej w zbiorniku oleju i innych elementach. Po połączeniu z cewką gaszenia łuku elektrycznego, wykorzystanie jej pojemności będzie nadal ograniczone. Zagraniczne badania testowe pokazują, że dopuszczalny tryb pracy transformatora uziemiającego YNd wynosi:

(1) W przypadku normalnego obciążenia wtórnego pojemność cewki gaszenia łuku elektrycznego podłączonej po stronie YN nie powinna przekraczać 50% znamionowej pojemności transformatora;

(2) Jeżeli obciążenie wtórne wynosi jedynie 50% pojemności transformatora w normalnych warunkach, pojemność cewki gaszenia łuku elektrycznego może być równa pojemności znamionowej transformatora.

Mimo że wtórna strona tego połączenia może zasilać obciążenia regionalne lub samą stację, jego zastosowanie będzie znacznie ograniczone, ponieważ połączenie trójkątne utrudnia równoczesne zasilanie użytkowników korzystających z hybrydowego źródła zasilania i oświetlenia.

Połączenie YN, otwarte d, jest połączone z cewką gaszenia łuku elektrycznego XL, podobną do połączenia YNd. Połączenie w trybie otwartego d można połączyć z rezystorem lub dławikiem po stronie otwartego trójkąta, aby regulować reaktancję składowej zerowej transformatora, a połączenie rezystora może również tłumić rezonans ferromagnetyczny sieci. Zastosowanie trójfazowego, pięciokolumnowego rdzenia żelaznego pozwala na znaczne zwiększenie impedancji składowej zerowej, a nawet na pominięcie cewki gaszenia łuku elektrycznego, jednak konstrukcja jest złożona, a koszty rosną. Ponadto, wtórne zastosowanie połączenia w trybie otwartego trójkąta nie zaspokaja potrzeb zasilania odbiorników regionalnych i energii na własny użytek, dlatego ta metoda nie jest powszechnie stosowana.

Transformator z połączeniem ZN, YN jest połączony z cewką gaszenia łuku elektrycznego XL, która jest powszechnym sposobem połączenia transformatora uziemiającego. Ponieważ potencjał magnetyczny składowej zerowej w górnej i dolnej połowie uzwojenia na tej samej kolumnie rdzenia żelaznego w metodzie połączenia zygzakowego ma dokładnie taką samą wartość i przeciwny kierunek, co wzajemnie się neutralizuje, strumień upływu składowej zerowej jest zredukowany do bardzo małej wartości, dzięki czemu wartość reaktancji składowej zerowej jest bardzo mała, a jego pojemność może być równa pojemności podłączonej cewki gaszenia łuku elektrycznego.

Transformator uziemiający, szeroko stosowany w kraju i za granicą, jest podłączany głównie w ten sposób. Ponieważ po stronie niskiego napięcia zastosowano metodę połączenia Y, może on jednocześnie zasilać lokalną energię elektryczną lub energię elektryczną na potrzeby własne stacji elektroenergetycznej. Moc po stronie niskiego napięcia jest zazwyczaj mniejsza niż po stronie wysokiego napięcia. W większości przypadków moc po stronie niskiego napięcia mieści się w zakresie 80–200 kVA.

Mimo że znamionowa pojemność strony wysokiego napięcia może być równa pojemności podłączonej cewki gaszenia łuku elektrycznego, połączenie w kształcie litery Z będzie miało 1,15 raza więcej zwojów niż połączenie w kształcie litery Y, tak więc rzeczywista pojemność transformatora uziemiającego powinna być 1,15 raza większa od pojemności cewki gaszenia łuku elektrycznego.

■ Zasada działania

Zasada działania transformatora uziemiającego w przypadku zwarcia jednofazowego w systemie jest zilustrowana na przykładzie typowego okablowania ZNyn. Gdy transformator uziemiający przepływa przez określoną wartość prądu składowej zerowej podczas pracy, prąd płynący przez dwa uzwojenia jednofazowe na tej samej kolumnie z rdzeniem żelaznym ma przeciwne kierunki, a ich średnica jest równa, co oznacza, że ​​potencjał magnetyczny generowany przez prąd składowej zerowej jest dokładnie przeciwny do offsetu, a impedancja składowej zerowej jest również bardzo mała.

W przypadku awarii transformatora uziemiającego, punkt neutralny może przepływać przez niego prąd kompensacyjny. Ze względu na małą impedancję składowej zerowej, podczas przepływu prądu składowej zerowej, generowany spadek napięcia na impedancji powinien być jak najmniejszy, aby zapewnić bezpieczeństwo systemu. Ponieważ transformator uziemiający charakteryzuje się niską impedancją składowej zerowej, w przypadku wystąpienia zwarcia doziemnego w fazie C, prąd uziemienia fazy C I przepływa do punktu neutralnego przez ziemię i jest dzielony na trzy równe części, wpływając do transformatora uziemiającego. Ponieważ prądy trójfazowe płynące do transformatora uziemiającego są równe, przesunięcie punktu neutralnego N pozostaje niezmienione, a napięcie linii trójfazowej pozostaje symetryczne.

Jednak w procesie produkcyjnym zwoje i wymiary geometryczne górnego i dolnego uzwojenia wysokiego napięcia nie mogą być całkowicie równe, co uniemożliwia dokładne przesunięcie potencjału magnetycznego generowanego przez prąd składowej zerowej w przeciwnym kierunku, generując nadal pewną impedancję składowej zerowej, zazwyczaj około 6-10 Ω. W porównaniu z impedancją składowej zerowej transformatora połączonego w gwiazdę wynoszącą 600 Ω, jego zalety są oczywiste. Ponadto transformator uziemiający zygzakowaty pozwala również zminimalizować prąd jałowy i straty jałowe. W porównaniu ze zwykłym transformatorem połączonym w gwiazdę, każdy rdzeń żelazny fazy transformatora połączonego w gwiazdę składa się z uzwojeń dwóch kolumn z rdzeniem żelaznym. Zgodnie z jego diagramem wektorowym, w porównaniu ze zwykłym transformatorem połączonym w gwiazdę, przy tym samym napięciu, konieczne jest nawinięcie 1,16 razy większej liczby uzwojeń. Amplituda impedancji składowej zerowej i impedancji składowej zgodnej miejskiej sieci dystrybucyjnej z uziemieniem jednofazowym w trybie uziemienia rezystancją punktu neutralnego znacznie się różni. Podczas przepływu trójfazowych prądów składowej zgodnej i przeciwnej, potencjał magnetyczny na każdej kolumnie rdzenia żelaznego transformatora uziemiającego jest sumą fazorów potencjału magnetycznego dwóch uzwojeń o różnych fazach na kolumnie rdzenia żelaznego. Potencjał magnetyczny na trzech filarach rdzenia żelaznego jest grupą trójfazowych wielkości równowagi o przesunięciu fazowym 120°. Wytworzony strumień magnetyczny może utworzyć pętlę na trzech filarach rdzenia żelaznego. Rezystancja magnetyczna obwodu magnetycznego jest niewielka, strumień magnetyczny jest duży, a indukowany potencjał jest duży, wykazując dużą impedancję składowej zgodnej i przeciwnej. Dlatego transformator uziemiający charakteryzuje się dużą impedancją składowej zgodnej i przeciwnej oraz małą impedancją składowej zerowej.

■ Główne parametry techniczne

Aby spełnić wymagania dotyczące kompensacji uziemienia cewki gaszącej łuk elektryczny w sieci dystrybucyjnej oraz wymagania dotyczące zasilania stacji elektroenergetycznej i obciążenia oświetlenia, wybrano transformator przyłączeniowy typu Z, a główne parametry transformatora uziemiającego muszą być odpowiednio ustawione.

(1) Moc znamionowa transformatora uziemiającego po stronie pierwotnej powinna odpowiadać mocy cewki gaszenia łuku elektrycznego. Zgodnie ze specyfikacją mocy istniejącej cewki gaszenia łuku elektrycznego, zaleca się ustawienie mocy transformatora uziemiającego na 1,05–1,15-krotność mocy cewki gaszenia łuku elektrycznego. Na przykład, moc transformatora uziemiającego wyposażonego w jedną cewkę gaszenia łuku elektrycznego o mocy 200 kVA wynosi 215 kVA.

(2) Całkowity prąd płynący przez punkt neutralny transformatora w przypadku jednofazowego zwarcia prądu kompensacji punktu neutralnego:

Gdzie:

U jest napięciem liniowym sieci dystrybucyjnej (V); Zx jest impedancją cewki gaszącej łuk elektryczny (Ω);

Zd jest pierwotną impedancją składowej zerowej transformatora uziemiającego (Ω/faza);

Zs jest impedancją układu (Ω);

Czas trwania prądu kompensacji punktu neutralnego musi być taki sam, jak czas trwania cewki gaszącej łuk elektryczny i wynosić 2 godziny, zgodnie ze specyfikacją.

(3) Impedancja składowej zerowej Impedancja składowej zerowej jest ważnym parametrem transformatora uziemiającego, który ma istotny wpływ na ochronę przekaźnika w zakresie ograniczania jednofazowego prądu zwarciowego uziemienia i tłumienia przepięć. W przypadku transformatorów uziemiających połączonych w zygzak (typu Z) i w gwiazdę/otwarty trójkąt bez uzwojeń wtórnych, występuje tylko jedna impedancja, a mianowicie impedancja składowej zerowej, dzięki czemu dział produkcji może spełnić wymagania działu energetycznego.

(4) Straty są ważnym parametrem wydajności transformatora uziemiającego. W przypadku transformatora uziemiającego z uzwojeniem wtórnym, straty jałowe mogą być takie same jak w transformatorze z podwójnym uzwojeniem o tej samej mocy. W przypadku strat obciążeniowych, gdy strona wtórna pracuje pod pełnym obciążeniem, straty obciążeniowe po stronie pierwotnej są mniejsze niż w transformatorze z podwójnym uzwojeniem o tej samej mocy co strona wtórna, ze względu na niewielkie obciążenie strony pierwotnej.

(5) Zgodnie z normą krajową wzrost temperatury transformatora uziemiającego jest następujący:

1) Wzrost temperatury przy znamionowym prądzie ciągłym powinien być zgodny z postanowieniami normy krajowej dla transformatorów suchych ogólnego przeznaczenia, ale ma zastosowanie głównie do transformatorów uziemiających z częstym obciążeniem po stronie wtórnej;

2) Jeżeli czas trwania krótkotrwałego prądu obciążenia jest krótszy niż 10 s (głównie gdy punkt neutralny jest połączony z rezystancją), wzrost temperatury powinien być zgodny z postanowieniami krajowej normy transformatorowej dotyczącej ograniczenia wzrostu temperatury w warunkach zwarcia;

3) Wzrost temperatury transformatora uziemiającego i cewek gaszących łuk elektryczny podczas wspólnej pracy musi być zgodny z przepisami dotyczącymi wzrostu temperatury cewek gaszących łuk elektryczny: temperatura uzwojenia, przez które ciągle przepływa prąd znamionowy, wynosi 80 K, co dotyczy głównie transformatora uziemiającego z połączeniem gwiazda/otwarty trójkąt; Dla uzwojenia o maksymalnym czasie przepływu prądu znamionowego określonym jako 2 h określona temperatura wynosi 100 K.