От классификации до схемы подключения — наиболее полное объяснение принципа работы заземляющего трансформатора.

В энергосистемах с напряжением 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ обычно используется режим работы без заземления нейтрали. Низковольтная сторона главного трансформатора в энергосистеме обычно подключается треугольным образом, и нет нейтральной точки, которую можно было бы заземлить. При возникновении однофазного замыкания на землю в системе без заземления нейтрали линейный треугольник напряжения остается симметричным. Энергосистема может продолжать подавать электроэнергию потребителям в течение 1-2 часов, а емкостной ток относительно невелик (менее 10 А), что не вызывает прерывистых дуговых разрядов. Некоторые переходные замыкания на землю могут исчезать автоматически, что очень эффективно для повышения надежности электроснабжения и снижения числа аварийных отключений электроэнергии. Однако с непрерывным расширением городских энергосетей и непрерывным увеличением количества отходящих кабельных линий емкостной ток системы на землю резко возрастает, и емкостной ток, протекающий через точку повреждения после однофазного заземления, становится большим (более 10 А).

Дуга трудно гасится, легко вызывает перенапряжение ферромагнитного резонанса и приводит к возникновению прерывистого дугового разряда и перенапряжения заземления, что может вызвать повреждение изоляции, отключение линии и усугубить аварию.

Конкретно:

Прерывистое затухание и повторное возникновение однофазной дуги заземления приводит к возникновению дугового перенапряжения заземления с амплитудой до 4U (U — пиковое значение нормального фазного напряжения) или выше и длительной продолжительностью, что наносит значительный вред изоляции электрооборудования и вызывает пробой слабой изоляции; приводит к большим потерям.

Разложение воздуха, вызванное непрерывной дугой, разрушает изоляцию окружающего воздуха и приводит к межфазному короткому замыканию.

Перенапряжение, вызванное ферромагнитным резонансом, может легко привести к перегоранию трансформатора напряжения и повреждению разрядника, что может даже вызвать его взрыв. Эти последствия серьезно повредят изоляцию оборудования электросети и поставят под угрозу безопасную эксплуатацию энергосистемы.

Для уменьшения емкостного тока на землю в случае однофазного замыкания на землю необходимо установить дугогасительную катушку и другие компенсационные устройства в нейтральной точке трансформатора. Поэтому необходимо вручную установить нейтральную точку, чтобы можно было подключить дугогасительную катушку к ней для уменьшения тока отключения при коротком замыкании на землю и повышения надежности электроснабжения системы.

■ Текущее использование в стране и за рубежом

В Китае в заземляющих трансформаторах обычно используется Z-образная (или зигзагообразная) схема подключения. Для экономии инвестиций и места на подстанции обычно добавляется третья обмотка к заземляющему трансформатору вместо трансформатора, используемого для питания оборудования на подстанции. Согласно национальному стандарту реакторов, способ заземления заземляющего трансформатора можно разделить на прямое заземление; заземление осуществляется через реактор, резистор и дугогасительную катушку. Прямое заземление в Китае пока не используется, но некоторые научно-исследовательские подразделения электроэнергетики начали обсуждать этот аспект. В зарубежных странах в заземляющих трансформаторах обычно используется Z-образное соединение, которое применяется в незаземленных системах 10 кВ и обеспечивает защиту от замыкания на землю в распределительной сети. При возникновении замыкания на землю заземляющий трансформатор обеспечивает высокое сопротивление току положительной и отрицательной последовательности и низкое сопротивление току нулевой последовательности, что обеспечивает надежную работу защиты от замыкания на землю.

■ Трехфазный заземляющий трансформатор

Трехфазный заземляющий трансформатор. В этом типе трансформатора используется Z-образная (или зигзагообразная) схема подключения. Отличие от обычных трансформаторов заключается в том, что обмотка каждой фазы разделена на две группы и намотана на магнитный полюс этой фазы в обратном направлении. Преимущество такого соединения заключается в том, что магнитный поток нулевой последовательности может течь вдоль магнитного полюса, в то время как магнитный поток нулевой последовательности обычных трансформаторов течет вдоль цепи рассеяния магнита. Поэтому импеданс нулевой последовательности Z-образных заземляющих трансформаторов очень мал (около 10 Ом), в то время как у обычных трансформаторов он значительно больше. Согласно нормативным требованиям, мощность обычного трансформатора с дугогасительной катушкой не должна превышать 20% от мощности трансформатора. Z-образный трансформатор может быть оснащен дугогасительной катушкой с мощностью 90%–100%. Помимо дугогасительной катушки, заземляющий трансформатор может также оснащаться вторичной нагрузкой, что позволяет заменить подстанционный трансформатор и тем самым сэкономить инвестиционные затраты.

■ Однофазный заземляющий трансформатор

Однофазный заземляющий трансформатор. Однофазный заземляющий трансформатор в основном используется в генераторах с нейтральной точкой и заземляющим резисторным шкафом нейтральной точки трансформаторов Satons для снижения стоимости и габаритов резисторного шкафа.

■ Рабочие характеристики

(1) Низкое сопротивление нулевой последовательности для обеспечения выхода тока нулевой последовательности;

(2) Высокое сопротивление возбуждения для уменьшения тока холостого хода;

(3) Низкие потери холостого хода для экономии энергии при ежедневной эксплуатации.

■ Режим проводного подключения

YNyn соединение

Трансформатор с таким способом подключения обычно имеет трехфазный трехколонный железный сердечник, а нейтральная точка на высоковольтной стороне может быть соединена с дугогасительной катушкой для обеспечения заземления. Однако, когда однофазный заземленный ток нулевой последовательности протекает через обмотку высоковольтной стороны, генерируемый магнитный потенциал нулевой последовательности не может быть уравновешен вторичным магнитным потенциалом, и магнитный поток нулевой последовательности в одном направлении не может образовать замкнутый контур в трехколонном железном сердечнике, так что большое количество магнитного потока нулевой последовательности может проходить только через зажим, масло и корпус маслобака, образуя замкнутый контур, что приводит к дополнительным потерям в маслобаке и зажиме, локальному перегреву и ограничению использования мощности трансформатора. Соответствующие правила эксплуатации в энергетическом секторе Китая содержат следующие положения о рабочем состоянии дугогасительной катушки нейтральной точки трансформатора с подключением YNyn:

(1) Мощность катушки подавления дуги не должна превышать 20% от номинальной мощности трансформатора;

(2) Падение напряжения нулевой последовательности, создаваемое током нулевой последовательности, протекающим через катушку подавления дуги в трансформаторе, не должно превышать 10% от номинального фазного напряжения;

Характерной особенностью способа соединения трансформатора с соединением YNd и катушки подавления дуги XL является то, что треугольное соединение на вторичной стороне обеспечивает замкнутый путь тока нулевой последовательности, поэтому реактивное сопротивление нулевой последовательности мало. Кроме того, поскольку магнитный потенциал нулевой последовательности первичной и вторичной обмоток на каждом сердечнике сбалансирован, магнитная утечка нулевой последовательности также мала. Однако, когда обмотка с соединением YN находится снаружи, полностью избежать дополнительных потерь нулевой последовательности, возникающих в масляном баке и других компонентах, невозможно. При соединении с катушкой подавления дуги использование ее мощности все еще будет ограничено. Зарубежные испытания показывают, что допустимый режим работы трансформатора с заземлением, соединенного с YNd, следующий:

(1) При нормальной полной нагрузке вторичной обмотки мощность катушки подавления дуги, подключенной со стороны YN, не должна превышать 50% от номинальной мощности трансформатора;

(2) Когда вторичная нагрузка составляет лишь 50% от мощности трансформатора в обычное время, мощность катушки подавления дуги может быть равна номинальной мощности трансформатора.

Хотя вторичная сторона этого соединения может обеспечивать электропитание региональных потребителей или самой подстанции, ее применение будет значительно ограничено, поскольку треугольное соединение затрудняет одновременную подачу электроэнергии потребителям, использующим гибридные системы электроснабжения и освещения.

В схеме YN, при разомкнутом треугольном соединении, используется катушка подавления дуги XL, аналогичная схеме YNd. Схема разомкнутого треугольного соединения позволяет подключать резистор или реактор сбоку от разомкнутого треугольника для регулировки реактивного сопротивления нулевой последовательности трансформатора, а подключение резистора также может подавлять ферромагнитный резонанс сети. При использовании трехфазного пятиколонного железного сердечника значение импеданса нулевой последовательности может быть значительно увеличено, и даже возможно обойтись без катушки подавления дуги, но конструкция становится сложной, а стоимость возрастает. Кроме того, вторичное использование разомкнутого треугольного соединения не удовлетворяет потребностям в электроснабжении региональных нагрузок и собственного потребления, поэтому этот метод не получил широкого распространения.

Трансформатор с зигзагообразным соединением (ZN, yn) подключается к дугоподавляющей катушке XL, что является распространенным способом подключения заземляющего трансформатора. Поскольку магнитный потенциал нулевой последовательности в верхней и нижней половинах обмоток на одном и том же железном сердечнике при зигзагообразном соединении имеет одинаковую величину и противоположное направление, что компенсирует друг друга, поток рассеяния нулевой последовательности уменьшается до очень малого значения, поэтому значение его реактивного сопротивления нулевой последовательности очень мало, и его емкость может быть равна емкости подключенной дугоподавляющей катушки.

Широко используемый в стране и за рубежом заземляющий трансформатор подключается преимущественно таким образом. Поскольку на низковольтной стороне используется метод yn-соединения, он может одновременно обеспечивать электроэнергией как местное население, так и собственные нужды подстанции. Мощность низковольтной стороны обычно меньше, чем мощность высоковольтной стороны. В большинстве случаев мощность низковольтной стороны находится в диапазоне 80-200 кВА.

Хотя номинальная мощность высоковольтной стороны может быть равна мощности подключенной дугогасительной катушки, Z-образное соединение будет иметь в 1,15 раза больше витков, чем Y-образное, поэтому фактическая мощность заземляющего трансформатора должна быть в 1,15 раза больше мощности дугогасительной катушки.

■ Принцип работы

Принципиальная схема работы заземляющего трансформатора в случае однофазного короткого замыкания в системе показана на примере стандартной схемы ZNyn. Когда через заземляющий трансформатор в процессе работы проходит ток нулевой последовательности определенной величины, ток, протекающий через две однофазные обмотки на одном и том же железном сердечнике, имеет противоположные направления и одинаковую величину, так что магнитный потенциал, создаваемый током нулевой последовательности, имеет прямо противоположное смещение, поэтому импеданс нулевой последовательности также очень мал.

При выходе из строя заземляющего трансформатора нейтральный проводник может пропускать компенсационный ток. Благодаря малому импедансу нулевой последовательности, при прохождении тока нулевой последовательности падение напряжения на импедансе должно быть как можно меньше для обеспечения безопасности системы. Поскольку заземляющий трансформатор обладает низким импедансом нулевой последовательности, при однофазном замыкании на землю в фазе С ток I фазы С протекает в нейтральный проводник через землю и делится на три равные части, которые поступают в заземляющий трансформатор. Поскольку трехфазные токи, протекающие в заземляющий трансформатор, равны, смещение нейтрального проводника N остается неизменным, и трехфазное линейное напряжение остается симметричным.

Однако в процессе производства витки и геометрические размеры верхней и нижней обмоток высоковольтной обмотки не могут быть полностью одинаковыми, что делает невозможным точное смещение магнитного потенциала, создаваемого током нулевой последовательности, в противоположном направлении, и всё же генерирует определённое сопротивление нулевой последовательности, обычно около 6-10 Ом. По сравнению с сопротивлением нулевой последовательности трансформатора со звездообразным соединением, составляющим 600 Ом, его преимущества очевидны. Кроме того, трансформатор с зигзагообразным заземлением также позволяет свести к минимуму ток холостого хода и потери холостого хода. По сравнению с обычным трансформатором со звездообразным соединением, каждый фазный железный сердечник трансформатора с зигзагообразным соединением состоит из обмоток двух столбцов железного сердечника. Согласно его векторной диаграмме, по сравнению с обычным трансформатором со звездообразным соединением, при том же напряжении требуется в 1,16 раза больше обмоток. Амплитуда сопротивления нулевой последовательности и сопротивления положительной последовательности городской распределительной сети с однофазным заземлением в режиме заземления нейтральной точки значительно различается. Когда по заземляющему трансформатору протекают трехфазные токи положительной и отрицательной последовательности, магнитный потенциал на каждом столбике железного сердечника представляет собой сумму фазоров магнитного потенциала двух обмоток разных фаз на столбике железного сердечника. Магнитный потенциал на трех столбиках железного сердечника представляет собой группу трехфазных равновесных величин с разностью фаз 120°. Генерируемый магнитный поток может образовывать замкнутый контур на трех столбиках железного сердечника. Магнитное сопротивление магнитной цепи мало, магнитный поток велик, а индуцированный потенциал велик, что приводит к большому импедансу положительной и отрицательной последовательности; следовательно, заземляющий трансформатор обладает характеристиками большого импеданса положительной и отрицательной последовательности и малого импеданса нулевой последовательности.

■ Основные технические параметры

Для удовлетворения потребностей в компенсации заземления дугоподавляющей катушки в распределительной сети, а также для обеспечения электроснабжения и освещения подстанций, выбран трансформатор с Z-образным соединением, при этом основные параметры заземляющего трансформатора должны быть разумно настроены.

(1) Мощность первичной обмотки заземляющего трансформатора с номинальной мощностью должна соответствовать мощности катушки подавления дуги. В соответствии с техническими характеристиками существующей катушки подавления дуги рекомендуется устанавливать мощность заземляющего трансформатора в 1,05-1,15 раза больше мощности катушки подавления дуги. Например, мощность заземляющего трансформатора, оснащенного одной катушкой подавления дуги мощностью 200 кВА, составляет 215 кВА.

(2) Суммарный ток, протекающий через нейтраль трансформатора в случае однофазного короткого замыкания, компенсационный ток нейтральной точки:

Где:

U — линейное напряжение распределительной сети (В); Zx — импеданс дугогасительной катушки (Ом);

Zd — это первичное сопротивление нулевой последовательности заземляющего трансформатора (Ом/фаза);

Zs — это импеданс системы (Ω);

Длительность тока компенсации нейтральной точки должна быть такой же, как и длительность тока катушки подавления дуги, и, согласно спецификации, должна составлять 2 часа.

(3) Импеданс нулевой последовательности Импеданс нулевой последовательности является важным параметром заземляющего трансформатора, который оказывает существенное влияние на релейную защиту, ограничивая ток короткого замыкания однофазной цепи заземления и подавляя перенапряжение. Для заземляющих трансформаторов зигзагообразного (Z-типа) и звездообразного/разомкнутого треугольника без вторичных обмоток существует только один импеданс, а именно импеданс нулевой последовательности, что позволяет производственным подразделениям удовлетворять требованиям энергетической отрасли.

(4) Потери являются важным параметром производительности заземляющего трансформатора. Для заземляющего трансформатора с вторичной обмоткой потери холостого хода могут быть такими же, как у двух обмоточного трансформатора той же мощности. Что касается потерь нагрузки, то при работе вторичной обмотки в режиме полной нагрузки потери нагрузки на первичной обмотке меньше, чем у двух обмоточного трансформатора той же мощности, что и вторичная обмотка, из-за малой нагрузки на первичной обмотке.

(5) Согласно национальному стандарту, повышение температуры заземляющего трансформатора составляет:

1) Повышение температуры при номинальном непрерывном токе должно соответствовать положениям национального стандарта для сухих трансформаторов общего назначения, но в основном применимо к заземляющим трансформаторам с частой нагрузкой на вторичной стороне;

2) Если длительность кратковременного тока нагрузки составляет менее 10 секунд (в основном, когда нейтральная точка соединена с резистором), повышение температуры должно соответствовать положениям национального стандарта для силовых трансформаторов, касающимся предельного значения повышения температуры в условиях короткого замыкания;

3) Повышение температуры заземляющего трансформатора и дугогасительной катушки при совместной работе должно соответствовать требованиям к повышению температуры дугогасительной катушки: температура обмотки, через которую непрерывно протекает номинальный ток, составляет 80 К, что в основном применимо к заземляющим трансформаторам со звездообразным/треугольным соединением; для обмотки с максимальным временем протекания номинального тока, указанным как 2 ч, заданная температура составляет 100 К.