Od klasifikacije do načina ožičenja, najobsežnejša razlaga ozemljitvenega transformatorja

Energetska omrežja 6 kV, 10 kV in 35 kV v elektroenergetskem sistemu običajno delujejo v nevtralnem neozemljenem načinu. Nizkonapetostna stran glavnega transformatorja v elektroenergetskem omrežju je običajno priključena v trikotniku in ni nevtralne točke, ki bi jo lahko ozemljili. Ko se v nevtralnem neozemljenem sistemu pojavi enofazna ozemljitvena napaka, trikotnik omrežne napetosti ostane simetričen. Elektroenergetski sistem lahko še naprej napaja uporabnike 1 do 2 uri, kapacitivni tok pa je relativno majhen (manj kot 10 A), kar ne povzroča občasnega obloka. Nekatere prehodne ozemljitvene napake lahko samodejno izginejo, kar je zelo učinkovito za izboljšanje zanesljivosti oskrbe z električno energijo in zmanjšanje izpadov električne energije. Vendar pa se z nenehno širitvijo mestnega elektroenergetskega omrežja in nenehnim povečevanjem števila odhodnih kabelskih vodov kapacitivni tok sistema proti zemlji močno poveča, kapacitivni tok, ki teče skozi točko okvare po enofazni ozemljitvi, pa je velik (več kot 10 A).

Loka ni enostavno ugasniti, zlahka se vzbuja feromagnetna resonančna prenapetost in povzroča občasno prenapetost ozemljitve obloka, kar lahko povzroči poškodbo izolacije, izklop linije in razširitev nesreče.

Natančneje:

Občasno ugašanje in ponovno vžiganje enofaznega ozemljitvenega obloka bo povzročilo prenapetost ozemljitvenega obloka z amplitudo do 4U (U je najvišja vrednost normalne fazne napetosti) ali več in dolgotrajno, kar bo povzročilo veliko škodo na izolaciji električne opreme in povzročilo prelom pri šibki izolaciji; povzročilo bo velike izgube.

Disociacija zraka, ki jo povzroča neprekinjen oblok, uniči izolacijo okoliškega zraka in je nagnjena k medfaznemu kratkemu stiku.

Prenapetost zaradi feromagnetne resonance lahko zlahka pregori napetostni transformator in poškoduje odvodnik, kar lahko celo povzroči njegovo eksplozijo. Te posledice bodo resno ogrozile izolacijo opreme električnega omrežja in ogrozile varno delovanje električnega omrežja.

Za zmanjšanje kapacitivnega toka proti zemlji v primeru enofazne ozemljitvene napake je treba na nevtralno točko transformatorja namestiti tuljavo za dušenje obloka in druge kompenzacijske naprave. Zato je treba ročno določiti nevtralno točko, tako da se tuljava za dušenje obloka lahko priključi na nevtralno točko, da se zmanjša tok kratkega stika ozemljitve in izboljša zanesljivost napajanja sistema.

■ Trenutna uporaba doma in v tujini

Ozemljitveni transformatorji na Kitajskem običajno uporabljajo ožičenje tipa Z (ali cikcak ožičenje). Da bi prihranili pri naložbah in prostoru v postaji, se ozemljitvenemu transformatorju običajno doda tretje navitje, ki nadomesti transformator, ki se uporablja za napajanje opreme, ki se uporablja v postaji. V skladu z nacionalnim standardom za reaktorje lahko ozemljitev ozemljitvenega transformatorja razdelimo na neposredno ozemljitev; ozemljitev poteka preko reaktorja, upornosti in tuljave za dušenje obloka. Neposredna ozemljitev se na Kitajskem ne uporablja, vendar so nekateri oddelki za raziskave električne energije začeli razpravljati o tem vidiku. Ozemljitveni transformatorji v tujini običajno uporabljajo ožičenje tipa Z, ki se uporablja za 10 kV neozemljene sisteme in predstavlja ozemljitveno zaščito distribucijskega omrežja. Ko ima sistem ozemljitveno napako, ima ozemljitveni transformator visoko impedanco na pozitivni in negativni zaporedni tok ter nizko upornost na ničelni zaporedni tok, zaradi česar ozemljitvena zaščita deluje zanesljivo.

■ Trifazni ozemljitveni transformator

Trifazni ozemljitveni transformator Ta tip transformatorja uporablja ožičenje tipa Z (ali cikcak ožičenje). Razlika od navadnih transformatorjev je v tem, da je vsaka fazna tuljava razdeljena v dve skupini in navita na magnetnem polu te faze v obratni smeri. Prednost te povezave je, da lahko magnetni tok ničelnega zaporedja teče vzdolž magnetnega pola, medtem ko magnetni tok ničelnega zaporedja navadnih transformatorjev teče vzdolž magnetnega uhajanja. Zato je impedanca ničelnega zaporedja ozemljitvenih transformatorjev tipa Z zelo majhna (približno 10 Ω), medtem ko je impedanca navadnih transformatorjev veliko večja. V skladu s predpisi zmogljivost navadnega transformatorja z dušilno tuljavo za oblok ne sme presegati 20 % zmogljivosti transformatorja. Transformator tipa Z je lahko opremljen z dušilno tuljavo za oblok z zmogljivostjo 90 % do 100 %. Poleg dušilne tuljave je lahko ozemljitveni transformator opremljen tudi s sekundarno obremenitvijo, ki lahko nadomesti transformator postaje, s čimer se prihranijo stroški naložbe.

■ Enofazni ozemljitveni transformator

Enofazni ozemljitveni transformator Enofazni ozemljitveni transformator se uporablja predvsem za generator z nevtralno točko in omaro upornosti ozemljitve nevtralne točke transformatorja Satons, da se zmanjšajo stroški in prostornina omarice upornosti.

■ Delovne lastnosti

(1) Nizka impedanca ničelnega zaporedja za zagotovitev izhodnega toka ničelnega zaporedja;

(2) Visoka vzbujevalna impedanca za zmanjšanje toka v prostem teku;

(3) Nizka izguba v prostem teku za prihranek energije pri vsakodnevnem delovanju.

■ Način ožičenja

YNyn povezava

Transformator s tem načinom priključitve običajno uporablja trifazno tristebrno železno jedro, nevtralna točka na visokonapetostni strani pa se lahko poveže z dušilno tuljavo za ozemljitev. Ko pa enofazni ozemljeni tok ničelnega zaporedja teče skozi navitje na visokonapetostni strani, ustvarjenega magnetnega potenciala ničelnega zaporedja ni mogoče uravnotežiti s sekundarnim magnetnim potencialom, magnetni tok ničelnega zaporedja v isti smeri pa ne more tvoriti zanke v tristebrnem železnem jedru, tako da lahko veliko število magnetnih tokov ničelnega zaporedja prehaja le skozi sponko, olje in ohišje rezervoarja za olje ter tvori zaprto zanko, kar povzroča dodatne izgube v rezervoarju za olje in sponki, kar ima za posledico lokalno pregrevanje. Izkoriščenost transformatorske zmogljivosti je omejena. Ustrezni obratovalni predpisi kitajskega elektroenergetskega sektorja so glede delovnega stanja dušilne tuljave za dušenje obloka na priključku nevtralne točke transformatorja YNyn določili naslednje:

(1) Zmogljivost tuljave za dušenje obloka ne sme presegati 20 % nazivne zmogljivosti transformatorja;

(2) Padec napetosti ničelnega zaporedja, ki ga povzroči tok ničelnega zaporedja, ki teče skozi tuljavo za dušenje obloka v transformatorju, ne sme presegati 10 % nazivne fazne napetosti;

Način povezave transformatorja s priključkom YNd in tuljave za dušenje obloka XL je značilen po tem, da trikotna povezava na sekundarni strani zagotavlja zaprto pot ničelnega zaporednega toka, zato je ničelna reaktanca majhna. Poleg tega je zaradi uravnoteženega ničelnega magnetnega potenciala primarnega in sekundarnega navitja na vsakem jedrnem stebru magnetno uhajanje ničelnega zaporedja prav tako majhno. Ko pa je navitje s priključkom YN zunaj, se dodatnim izgubam ničelnega zaporedja, ki nastanejo v rezervoarju za olje in drugih komponentah, ni mogoče popolnoma izogniti. Ko je priključen na tuljavo za dušenje obloka, je izkoriščenost njegove zmogljivosti še vedno omejena. Raziskave v tujini kažejo, da je dovoljeni način delovanja ozemljitvenega transformatorja, priključenega na YNd, naslednji:

(1) Pri normalni polni obremenitvi sekundarnega namotaja zmogljivost tuljave za dušenje obloka, priključene na strani YN, ne sme presegati 50 % nazivne zmogljivosti transformatorja;

(2) Ko je sekundarna obremenitev v običajnih časih le 50 % zmogljivosti transformatorja, je lahko zmogljivost tuljave za dušenje obloka enaka nazivni zmogljivosti transformatorja.

Čeprav lahko sekundarna stran te povezave napaja regionalne obremenitve ali samo podstanico, bo njena uporaba zelo omejena, ker je trikotna povezava težko hkrati napajati hibridne uporabnike energije in razsvetljave.

Priključek YN, odprta d vezava, je povezan z dušilno tuljavo XL, kar je podobno priključitvi YNd. Način priključitve odprte d vezja je lahko povezan z uporom ali dušilko na strani odprtega trikotnika za nastavitev reaktance ničelnega zaporedja transformatorja, priključitev upora pa lahko tudi zatre feromagnetno resonanco omrežja. Če se uporabi trifazno petstebrno železno jedro, se lahko vrednost impedance ničelnega zaporedja močno poveča, možno pa je celo izpustiti dušilno tuljavo, vendar je struktura zapletena in stroški se povečajo. Poleg tega sekundarna uporaba odprte trikotne vezja ne more zadostiti potrebam po napajanju regionalnih obremenitev in lastne porabe energije, zato se ta metoda ne uporablja pogosto.

Transformator s priključkom ZN, yn je priključen na tuljavo za dušenje obloka XL, kar je pogost način povezave za ozemljitveni transformator. Ker je magnetni potencial ničelnega zaporedja v zgornji in spodnji polovici navitja na istem železnem jedru pri cikcakasti povezavi enake velikosti in nasprotne smeri, kar si medsebojno preprečuje delovanje, se uhajalni tok ničelnega zaporedja zmanjša na zelo majhno vrednost, tako da je njegova reaktanca ničelnega zaporedja zelo majhna, njegova kapaciteta pa je lahko enaka kapaciteti priključene tuljave za dušenje obloka.

Ozemljitveni transformator, ki se pogosto uporablja doma in v tujini, je v glavnem priključen na ta način. Ker se na strani nizke napetosti uporablja metoda yn spoja, lahko hkrati napaja lokalno napajanje ali lastno energijo podstanice. Zmogljivost strani nizke napetosti je običajno manjša od zmogljivosti strani visoke napetosti. V večini primerov je zmogljivost strani nizke napetosti v območju 80-200 kVA.

Čeprav je nazivna zmogljivost visokonapetostne strani lahko enaka zmogljivosti priključene tuljave za dušenje obloka, bo povezava v obliki črke Z imela 1,15-krat več zavojev kot povezava v obliki črke Y, zato mora biti dejanska zmogljivost ozemljitvenega transformatorja 1,15-krat večja od zmogljivosti tuljave za dušenje obloka.

■ Načelo delovanja

Diagram principa delovanja ozemljitvenega transformatorja v primeru enofazne napake v sistemu je prikazan s skupno ožičenjem ZNyn. Ko skozi ozemljitveni transformator med delovanjem teče določena velikost ničelnega zaporednega toka, je tok, ki teče skozi dve enofazni navitji na istem železnem jedru, v nasprotnih smereh in enake velikosti, tako da je magnetni potencial, ki ga ustvarja ničelni zaporedni tok, ravno nasproten odmiku, zato je tudi ničelna zaporedna impedanca zelo majhna.

Ko ozemljitveni transformator odpove, lahko skozi nevtralno točko teče kompenzacijski tok. Zaradi majhne impedance ničelnega zaporedja mora biti padec napetosti na impedanci pri prehodu toka ničelnega zaporedja čim manjši, da se zagotovi varnost sistema. Ker ima ozemljitveni transformator značilnosti nizke impedance ničelnega zaporedja, v primeru enofazne ozemljitvene napake v fazi C ozemljitveni tok faze C I steče skozi zemljo v nevtralno točko in se razdeli na tri enake dele, da steče v ozemljitveni transformator. Ker so trifazni tokovi, ki tečejo v ozemljitveni transformator, enaki, premik nevtralne točke N ostane nespremenjen in trifazna omrežna napetost ostane simetrična.

Vendar pa med proizvodnim procesom zavoji in geometrijske dimenzije zgornjega in spodnjega navitja visokonapetostnega navitja ne morejo biti popolnoma enaki, zaradi česar magnetni potencial, ki ga ustvarja tok ničelnega zaporedja, ni mogoče natančno premakniti v nasprotno smer, pri čemer še vedno ustvari določeno impedanco ničelnega zaporedja, običajno približno 6-10 Ω. V primerjavi z impedanco ničelnega zaporedja transformatorja, vezanega v zvezdo, ki znaša 600 Ω, so njegove prednosti očitne. Poleg tega lahko cikcak ozemljitveni transformator čim bolj zmanjša tok prostega teka in izgube prostega teka. V primerjavi z navadnim transformatorjem z zvezdno vezavo je vsako fazno železno jedro cikcak vezanega transformatorja sestavljeno iz navitij dveh železnih jedernih stebrov. Glede na njegov vektorski diagram je treba v primerjavi z navadnim transformatorjem z zvezdno vezavo naviti 1,16-krat več, če je napetost enaka. Amplituda impedance ničelnega zaporedja in impedance pozitivnega zaporedja mestnega distribucijskega omrežja z enofazno ozemljitvijo v načinu ozemljitve z uporom nevtralne točke se zelo razlikuje. Ko tečejo trifazni pozitivni in negativni zaporedni tokovi ozemljitvenega transformatorja, je magnetni potencial na vsakem železnem jedrnem stebru vsota fazorjev magnetnega potenciala dveh navitij različnih faz na železnem jedrnem stebru. Magnetni potencial na treh železnih jedrnih stebrih je skupina trifaznih ravnotežnih količin s fazno razliko 120°. Ustvarjeni magnetni tok lahko tvori zanko na treh železnih jedrnih stebrih. Magnetna upornost magnetnega vezja je majhna, magnetni tok je velik, inducirani potencial pa je velik, kar kaže na veliko pozitivno in negativno zaporedno impedanco; zato ima ozemljitveni transformator značilnosti velike pozitivne in negativne zaporedne impedance ter majhne ničelne zaporedne impedance.

■ Glavni tehnični parametri

Da bi zadostili potrebam kompenzacije ozemljitve tuljave za dušenje obloka v distribucijskem omrežju in hkrati zadostili potrebam po moči podstanice in obremenitvi razsvetljave, je izbran priključni transformator tipa Z, glavne parametre ozemljitvenega transformatorja pa je treba razumno nastaviti.

(1) Primarna zmogljivost ozemljitvenega transformatorja z nazivno zmogljivostjo se mora ujemati z zmogljivostjo tuljave za dušenje obloka. V skladu s specifikacijo zmogljivosti obstoječe tuljave za dušenje obloka je priporočljivo, da se zmogljivost ozemljitvenega transformatorja nastavi na 1,05–1,15-kratnik zmogljivosti tuljave za dušenje obloka. Na primer, zmogljivost ozemljitvenega transformatorja, opremljenega z eno tuljavo za dušenje obloka z močjo 200 kVA, je 215 kVA.

(2) Skupni tok, ki teče skozi nevtralno točko transformatorja v primeru enofazne okvare nevtralne točke, kompenzacijski tok:

Kje:

U je omrežna napetost distribucijskega omrežja (V); Zx je impedanca tuljave za dušenje obloka (Ω);

Zd je primarna impedanca ničelnega zaporedja ozemljitvenega transformatorja (Ω/faza);

Zs je impedanca sistema (Ω);

Trajanje kompenzacijskega toka nevtralne točke mora biti enako kot trajanje tuljave za dušenje obloka, ki mora biti 2 uri, kot je določeno.

(3) Impedanca ničelnega zaporedja Impedanca ničelnega zaporedja je pomemben parameter ozemljitvenega transformatorja, ki ima pomemben vpliv na relejno zaščito pri omejevanju kratkostičnega toka enofaznega ozemljitvenega transformatorja in zaviranju prenapetosti. Za cikcak (tip Z) in zvezda/odprti trikotnik vezane ozemljitvene transformatorje brez sekundarnih tuljav obstaja samo ena impedanca, in sicer impedanca ničelnega zaporedja, tako da lahko proizvodni oddelek izpolni zahteve oddelka za elektroenergetiko.

(4) Izguba je pomemben parameter delovanja ozemljitvenega transformatorja. Pri ozemljitvenem transformatorju s sekundarno tuljavo so lahko izgube v prostem teku enake kot pri dvojnem navitju transformatorja z enako kapaciteto. Pri izgubi obremenitve so izgube obremenitve na primarni strani, ko sekundarna stran deluje s polno obremenitvijo, manjše kot pri dvojnem navitju transformatorja z enako kapaciteto kot sekundarna stran zaradi majhne obremenitve primarne strani.

(5) V skladu z nacionalnim standardom je dvig temperature ozemljitvenega transformatorja naslednji:

1) Dvig temperature pod nazivnim neprekinjenim tokom mora biti v skladu z določbami nacionalnega standarda za suhe transformatorje splošne moči, vendar velja predvsem za ozemljitvene transformatorje s pogosto obremenitvijo na sekundarni strani;

2) Kadar je trajanje kratkotrajnega obremenitvenega toka krajše od 10 sekund (predvsem ko je nevtralna točka povezana z uporom), mora dvig temperature ustrezati določbam nacionalnega standardnega energetskega transformatorja glede mejne vrednosti dviga temperature v pogojih kratkega stika;

3) Dvig temperature ozemljitvenega transformatorja in tuljave za dušenje obloka pri skupnem delovanju mora biti v skladu z določbami o dvigu temperature tuljave za dušenje obloka: temperatura navitja, ki neprekinjeno teče skozi nazivni tok, je 80 K, kar velja predvsem za ozemljitveni transformator v vezavi zvezda/odprti trikotnik; za navitje z najdaljšim časom pretoka nazivnega toka, določenim kot 2 uri, je določena temperatura 100 K.