De la clasificare la modul de cablare, cea mai cuprinzătoare explicație a transformatorului de împământare

Rețelele electrice de 6kV, 10kV și 35kV din sistemul energetic adoptă, în general, modul de funcționare cu neutru neîmpământat. Partea de joasă tensiune a transformatorului principal din rețeaua electrică este, în general, conectată în triunghi, neexistând un punct neutru care să poată fi legat la pământ. Când apare un defect de împământare monofazat într-un sistem neîmpământat cu neutru, triunghiul tensiunii de linie rămâne simetric. Sistemul energetic poate continua să furnizeze energie utilizatorilor timp de 1 până la 2 ore, iar curentul capacitiv este relativ mic (mai puțin de 10A), ceea ce nu va provoca arc electric intermitent. Unele defecte de împământare tranzitorii pot dispărea automat, ceea ce este foarte eficient pentru îmbunătățirea fiabilității alimentării cu energie și reducerea accidentelor cauzate de întreruperile de curent. Cu toate acestea, odată cu extinderea continuă a rețelei electrice urbane și creșterea continuă a numărului de linii de cabluri de ieșire, curentul capacitiv al sistemului către pământ crește brusc, iar curentul capacitiv care curge prin punctul de defect după împământarea monofazată este mare (mai mult de 10A).

Arcul electric nu este ușor de stins, este ușor să se excite o supratensiune de rezonanță feromagnetică și să se producă o supratensiune intermitentă de împământare a arcului electric, ceea ce poate provoca deteriorarea izolației, declanșarea liniei și extinderea accidentului.

Mai exact:

Stingerea și reaprinderea intermitentă a arcului monofazat de împământare va produce o supratensiune de împământare a arcului cu o amplitudine de până la 4U (U este valoarea de vârf a tensiunii de fază normală) sau mai mare și de lungă durată, ceea ce va provoca daune grave izolației echipamentelor electrice și va provoca defecțiuni la izolație slabă; provocând pierderi mari.

Disocierea aerului cauzată de arcul continuu distruge izolația aerului înconjurător și este predispusă la scurtcircuituri între faze.

Supratensiunea prin rezonanță feromagnetică poate arde cu ușurință transformatorul de tensiune și poate provoca deteriorarea descărcătoarei, ceea ce poate duce chiar la explozia acesteia. Aceste consecințe vor amenința serios izolația echipamentelor rețelei electrice și vor pune în pericol funcționarea în siguranță a acesteia.

Pentru a reduce curentul capacitiv la masă în cazul unui defect de împământare monofazat, este necesară instalarea unei bobine de suprimare a arcului și a altor dispozitive de compensare la punctul neutru al transformatorului. Prin urmare, este necesară stabilirea manuală a unui punct neutru, astfel încât bobina de suprimare a arcului să poată fi conectată la punctul neutru pentru a reduce curentul de scurtcircuit la împământare și a îmbunătăți fiabilitatea alimentării cu energie a sistemului.

■ Utilizare curentă în țară și în străinătate

Transformatorul de împământare din China adoptă de obicei o conexiune de tip Z (sau în zig-zag). Pentru a economisi investiții și spațiu în stație, se adaugă de obicei o a treia înfășurare la transformatorul de împământare pentru a înlocui transformatorul utilizat pentru alimentarea cu energie a echipamentelor utilizate în stație. Conform standardului național pentru reactor, modul de împământare al transformatorului de împământare poate fi împărțit în împământare directă; aceasta se face prin reactor, rezistență și bobină de suprimare a arcului. Împământarea directă nu a fost utilizată în China, dar unele departamente de cercetare în domeniul energiei electrice au început să discute acest aspect. Transformatorul de împământare din țările străine adoptă de obicei o conexiune de tip Z, care este utilizată pentru sistemele neîmpământate de 10 kV și constituie protecția la împământare a rețelei de distribuție. Atunci când sistemul are un defect de împământare, transformatorul de împământare prezintă o impedanță ridicată la curentul de secvență pozitivă și negativă și o rezistență scăzută la curentul de secvență zero, ceea ce face ca protecția la împământare să funcționeze fiabil.

■ Transformator de împământare trifazat

Transformator de împământare trifazat Acest tip de transformator utilizează cablaj de tip Z (sau cablaj în zig-zag). Diferența față de transformatoarele obișnuite constă în faptul că fiecare bobină de fază este împărțită în două grupuri și înfășurată invers pe polul magnetic al acestei faze. Avantajul acestei conexiuni este că fluxul magnetic de secvență zero poate curge de-a lungul polului magnetic, în timp ce fluxul magnetic de secvență zero al transformatoarelor obișnuite curge de-a lungul circuitului de scurgere magnetică. Prin urmare, impedanța de secvență zero a transformatoarelor de împământare de tip Z este foarte mică (aproximativ 10 Ω), în timp ce cea a transformatoarelor obișnuite este mult mai mare. Conform reglementărilor, capacitatea transformatorului obișnuit cu bobină de suprimare a arcului nu trebuie să depășească 20% din capacitatea transformatorului. Transformatorul de tip Z poate fi echipat cu o bobină de suprimare a arcului cu o capacitate de 90%~100%. Pe lângă bobina de suprimare a arcului, transformatorul de împământare poate fi echipat și cu o sarcină secundară, care poate înlocui transformatorul de stație, economisind astfel costurile de investiție.

■ Transformator de împământare monofazat

Transformator de împământare monofazat Transformatorul de împământare monofazat este utilizat în principal pentru generatoarele cu punct neutru și dulapul de rezistență de împământare a punctului neutru al transformatorului Satons pentru a reduce costul și volumul dulapului de rezistență.

■ Caracteristici de lucru

(1) Impedanță de secvență zero scăzută pentru a asigura ieșirea curentului de secvență zero;

(2) Impedanță de excitație ridicată pentru a reduce curentul în gol;

(3) Pierderi reduse în gol pentru a economisi consumul de energie în timpul funcționării zilnice.

■ Mod de cablare

Conexiune YNyn

Transformatorul cu acest mod de conectare adoptă în general un miez de fier trifazat cu trei coloane, iar punctul neutru de pe partea de înaltă tensiune poate fi conectat la o bobină de suprimare a arcului pentru a realiza împământarea. Cu toate acestea, atunci când curentul de secvență zero monofazat, împământat, curge prin înfășurarea de pe partea de înaltă tensiune, potențialul magnetic de secvență zero generat nu poate fi echilibrat de potențialul magnetic secundar, iar fluxul magnetic de secvență zero în aceeași direcție nu poate forma o buclă în miezul de fier cu trei coloane, astfel încât un număr mare de fluxuri magnetice de secvență zero pot trece doar prin clemă, ulei și corpul rezervorului de ulei pentru a forma o buclă închisă, provocând astfel pierderi suplimentare în rezervorul de ulei și clemă, rezultând supraîncălzire locală. Utilizarea capacității transformatorului este limitată. Reglementările relevante de funcționare din sectorul energetic din China au prevăzut următoarele prevederi privind starea de funcționare a bobinei de suprimare a arcului de conectare a punctului neutru al transformatorului de conectare YNyn:

(1) Capacitatea bobinei de suprimare a arcului electric nu trebuie să depășească 20% din capacitatea nominală a transformatorului;

(2) Căderea de tensiune de secvență zero generată de curentul de secvență zero care trece prin bobina de suprimare a arcului din transformator nu trebuie să depășească 10% din tensiunea nominală de fază;

Modul de conectare al transformatorului de conectare YNd și al bobinei de suprimare a arcului XL este caracterizat prin faptul că conexiunea triunghiulară de pe partea secundară poate oferi o cale închisă de curent de secvență zero, astfel încât reactanța de secvență zero este mică. În plus, deoarece potențialul magnetic de secvență zero al înfășurărilor primare și secundare de pe fiecare coloană centrală este echilibrat, scurgerea magnetică de secvență zero este, de asemenea, mică. Cu toate acestea, atunci când înfășurarea de conectare YN este în exterior, pierderea suplimentară de secvență zero cauzată în rezervorul de ulei și în alte componente nu poate fi evitată complet. Atunci când este conectată la bobina de suprimare a arcului, utilizarea capacității sale va fi în continuare limitată. Cercetările testelor externe arată că modul de funcționare admisibil al transformatorului de împământare conectat YNd este:

(1) Când sarcina secundară maximă este normală, capacitatea bobinei de suprimare a arcului conectată la partea YN nu trebuie să depășească 50% din capacitatea nominală a transformatorului;

(2) Când sarcina secundară reprezintă doar 50% din capacitatea transformatorului în perioade obișnuite, capacitatea bobinei de suprimare a arcului electric poate fi egală cu capacitatea nominală a transformatorului.

Deși partea secundară a acestei conexiuni poate furniza energie electrică sarcinilor regionale sau substației în sine, aplicarea sa va fi mult limitată deoarece conexiunea triunghiulară este dificilă pentru a furniza energie simultan utilizatorilor de energie hibridă și iluminat.

Conexiunea YN cu d deschis este conectată cu bobina de suprimare a arcului XL, similară conexiunii YNd. Modul de conectare cu d deschis poate fi conectat cu o rezistență sau o reactanță pe partea triunghiului deschis pentru a regla reactanța de secvență zero a transformatorului, iar conectarea rezistenței poate, de asemenea, suprima rezonanța feromagnetică a rețelei. Dacă se adoptă miezul de fier trifazat cu cinci coloane, valoarea impedanței de secvență zero poate fi, de asemenea, crescută considerabil, fiind chiar posibilă omiterea unei bobine de suprimare a arcului, dar structura este complexă și costul crește. În plus, utilizarea secundară a conexiunii triunghiului deschis nu poate satisface nevoile de alimentare cu energie a sarcinilor regionale și a energiei pentru consumul propriu, prin urmare această metodă nu este utilizată pe scară largă.

Transformatorul cu conexiune ZN, yn este conectat la bobina de suprimare a arcului XL, acesta fiind un mod comun de conectare pentru transformatoarele de împământare. Deoarece potențialul magnetic de secvență zero în jumătățile de înfășurare superioare și inferioare de pe aceeași coloană cu miez de fier ale metodei de conectare în zig-zag are exact aceeași dimensiune și direcție opusă, ceea ce se contracarează reciproc, fluxul de scurgere de secvență zero este redus la o valoare foarte mică, astfel încât valoarea reactanței sale de secvență zero este foarte mică, iar capacitatea sa poate fi egală cu capacitatea bobinei de suprimare a arcului conectate.

Transformatorul de împământare utilizat pe scară largă în țară și în străinătate este conectat în principal în acest mod. Deoarece metoda joncțiunii yn este adoptată pe partea de joasă tensiune, acesta poate furniza simultan energie locală sau energie pentru uzul propriu al stației de transformare. Capacitatea părții de joasă tensiune este de obicei mai mică decât cea a părții de înaltă tensiune. În majoritatea cazurilor, capacitatea părții de joasă tensiune se încadrează în intervalul 80-200 kVA.

Deși capacitatea nominală a laturii de înaltă tensiune poate fi egală cu capacitatea bobinei de suprimare a arcului conectate, conexiunea în formă de Z va avea de 1,15 ori mai multe spire decât conexiunea în formă de Y, astfel încât capacitatea reală a transformatorului de împământare ar trebui să fie de 1,15 ori mai mare decât capacitatea bobinei de suprimare a arcului.

■ Principiul de funcționare

Schema principiului de funcționare al transformatorului de împământare în cazul unui defect monofazat în sistem este ilustrată de cablajul comun ZNyn. Când transformatorul de împământare trece printr-un curent de secvență zero de o anumită mărime în timpul funcționării, curentul care curge prin cele două înfășurări monofazate de pe aceeași coloană cu miez de fier este în direcții opuse și de dimensiuni egale, astfel încât potențialul magnetic generat de curentul de secvență zero este exact opus decalajului, astfel încât impedanța de secvență zero este, de asemenea, foarte mică.

Când transformatorul de împământare se defectează, punctul neutru poate trece prin curentul de compensare. Datorită impedanței mici de secvență zero, atunci când curentul de secvență zero trece prin el, căderea de tensiune a impedanței generată trebuie să fie cât mai mică posibil pentru a asigura siguranța sistemului. Deoarece transformatorul de împământare are caracteristicile unei impedanțe de secvență zero scăzute, atunci când apare un defect de împământare monofazat în faza C, curentul de împământare I al fazei C curge în punctul neutru prin pământ și este împărțit în trei părți egale pentru a curge în transformatorul de împământare. Deoarece curenții trifazați care curg în transformatorul de împământare sunt egali, deplasarea punctului neutru N rămâne neschimbată, iar tensiunea de linie trifazată rămâne simetrică.

Cu toate acestea, în procesul de fabricație, spirele și dimensiunile geometrice ale înfășurărilor superioare și inferioare ale înfășurării de înaltă tensiune nu pot fi complet egale, ceea ce face imposibil ca potențialul magnetic generat de curentul de secvență zero să fie exact decalat în direcția opusă și totuși generează o anumită impedanță de secvență zero, de obicei de aproximativ 6-10 Ω. Comparativ cu impedanța de secvență zero a transformatorului conectat în stea de 600 Ω, avantajele sale sunt evidente. În plus, transformatorul de împământare în zig-zag poate, de asemenea, să facă curentul în gol și pierderile în gol cât mai mici posibil. Comparativ cu transformatorul obișnuit conectat în stea, miezul de fier al fiecărui transformator conectat în zig-zag este compus din înfășurările a două coloane cu miez de fier. Conform diagramei sale vectoriale, în comparație cu transformatorul obișnuit conectat în stea, acesta trebuie să fie înfășurat de 1,16 ori mai mult atunci când tensiunea este aceeași. Amplitudinea impedanței de secvență zero și a impedanței de secvență pozitivă a rețelei de distribuție urbană cu împământare monofazată în modul de împământare cu rezistență a punctului neutru diferă foarte mult. Când trece prin transformatorul de împământare sunt curenți trifazați de secvență pozitivă și negativă, potențialul magnetic pe fiecare coloană cu miez de fier a transformatorului este suma fazorilor potențialului magnetic a două înfășurări de faze diferite pe coloana cu miez de fier. Potențialul magnetic pe cei trei stâlpi cu miez de fier este un grup de mărimi de echilibru trifazate cu o diferență de fază de 120°. Fluxul magnetic generat poate forma o buclă pe cei trei stâlpi cu miez de fier. Rezistența magnetică a circuitului magnetic este mică, fluxul magnetic este mare, iar potențialul indus este mare, prezentând o impedanță mare de secvență pozitivă și negativă; Prin urmare, transformatorul de împământare are caracteristicile unei impedanțe mari de secvență pozitivă și negativă și a unei impedanțe mici de secvență zero.

■ Principalii parametri tehnici

Pentru a satisface nevoile de compensare a împământării bobinei de suprimare a arcului în rețeaua de distribuție, precum și nevoile sarcinii de alimentare și iluminat a substației, se selectează un transformator de conectare de tip Z, iar parametrii principali ai transformatorului de împământare trebuie să fie stabiliți în mod rezonabil.

(1) Capacitatea primară a transformatorului de împământare cu capacitatea nominală trebuie să corespundă cu capacitatea bobinei de suprimare a arcului. Conform specificațiilor de capacitate ale bobinei de suprimare a arcului existente, se recomandă setarea capacității transformatorului de împământare la 1,05-1,15 ori capacitatea bobinei de suprimare a arcului. De exemplu, capacitatea transformatorului de împământare echipat cu o bobină de suprimare a arcului de 200 kVA este de 215 kVA.

(2) Curentul total care trece prin punctul neutru al transformatorului în cazul unui defect monofazat al curentului de compensare a punctului neutru:

Unde:

U este tensiunea de linie a rețelei de distribuție (V); Zx este impedanța bobinei de suprimare a arcului (Ω);

Zd este impedanța primară de secvență zero a transformatorului de împământare (Ω/fază);

Zs este impedanța sistemului (Ω);

Durata curentului de compensare a punctului neutru trebuie să fie aceeași cu cea a bobinei de suprimare a arcului, care trebuie să fie de 2 ore, conform specificațiilor.

(3) Impedanța de secvență zero Impedanța de secvență zero este un parametru important al transformatorului de împământare, care are o influență semnificativă asupra protecției releului pentru a limita curentul de scurtcircuit la împământare monofazat și a suprima supratensiunea. Pentru transformatoarele de împământare conectate în zig-zag (tip Z) și stea/triunghi deschis, fără bobine secundare, există o singură impedanță, și anume impedanța de secvență zero, astfel încât departamentul de producție să poată îndeplini cerințele departamentului energetic.

(4) Pierderea este un parametru important de performanță al transformatorului de împământare. Pentru transformatorul de împământare cu bobină secundară, pierderea sa în gol poate fi aceeași cu cea a unui transformator cu înfășurare dublă cu aceeași capacitate. În ceea ce privește pierderea de sarcină, atunci când partea secundară funcționează în sarcină maximă, pierderea de sarcină a părții primare este mai mică decât cea a transformatorului cu înfășurare dublă cu aceeași capacitate ca partea secundară, din cauza sarcinii reduse a părții primare.

(5) Conform standardului național, creșterea temperaturii transformatorului de împământare este următoarea:

1) Creșterea temperaturii sub curentul continuu nominal trebuie să respecte prevederile standardului național pentru transformatoarele de tip uscat ale transformatoarelor de putere generale, dar se aplică în principal transformatoarelor de împământare cu sarcină frecventă pe partea secundară;

2) Când durata curentului de sarcină de scurtă durată este mai mică de 10 secunde (în principal când punctul neutru este conectat la rezistență), creșterea temperaturii trebuie să respecte prevederile standardului național al transformatorului de putere privind limita de creștere a temperaturii în condiții de scurtcircuit;

3) Creșterea temperaturii transformatorului de împământare și a bobinei de suprimare a arcului atunci când funcționează împreună trebuie să respecte prevederile privind creșterea temperaturii bobinei de suprimare a arcului: temperatura înfășurării care curge continuu prin curentul nominal este de 80K, ceea ce se aplică în principal transformatorului de împământare cu conexiune stea/triunghi deschis; Pentru înfășurarea cu timpul maxim de curgere al curentului nominal specificat ca 2h, temperatura specificată este de 100K.