Од класификације до начина ожичења, најсвеобухватније објашњење трансформатора за уземљење

Електрчне мреже од 6kV, 10kV и 35kV у електроенергетском систему генерално усвајају режим рада са неутралном неуземљеном тачком. Нисконапонска страна главног трансформатора у електроенергетској мрежи је генерално повезана у троуглу и не постоји неутрална тачка која се може уземљити. Када се догоди једнофазни квар на уземљењу у неутралном неуземљеном систему, троугао напона мреже остаје симетричан. Електрични систем може да настави да напаја кориснике 1 до 2 сата, а капацитивна струја је релативно мала (мање од 10A), што неће изазвати повремени лук. Неки пролазни кварови на уземљењу могу аутоматски нестати, што је веома ефикасно за побољшање поузданости напајања и смањење незгода услед нестанка струје. Међутим, са континуираним ширењем градске електроенергетске мреже и континуираним повећањем броја кабловских излазних водова, капацитивна струја система према земљи нагло се повећава, а капацитивна струја која тече кроз тачку квара након једнофазног уземљења је велика (више од 10A).

Лук није лако угасити, лако је побудити феромагнетни резонантни пренапон и произвести повремени пренапон уземљења лука, што може проузроковати оштећење изолације, искључити линију и проширити несрећу.

Конкретно:

Повремено гашење и поновно паљење једнофазног лука уземљења произвешће пренапон лука уземљења са амплитудом до 4U (U је вршна вредност нормалног фазног напона) или више и дугог трајања, што ће проузроковати велику штету на изолацији електричне опреме и изазвати квар при слабој изолацији; проузроковати велике губитке.

Дисоцијација ваздуха изазвана континуираним луком уништава изолацију околног ваздуха и склона је кратком споју између фаза.

Пренапон изазван феромагнетном резонанцом може лако да прегори трансформатор напона и оштети одводник, што може чак довести до његове експлозије. Ове последице ће озбиљно угрозити изолацију опреме електроенергетске мреже и угрозити безбедан рад електроенергетске мреже.

Да би се смањила капацитивна струја ка земљи у случају једнофазног уземљења, потребно је инсталирати калем за сузбијање лука и друге компензационе уређаје на неутралној тачки трансформатора. Стога је потребно ручно успоставити неутралну тачку тако да се калем за сузбијање лука може повезати на неутралну тачку како би се смањила струја кратког споја уземљења и побољшала поузданост напајања система.

■ Тренутна употреба у земљи и иностранству

Уземљивачки трансформатор у Кини обично користи Z-тип ожичења (или цик-цак ожичење). Ради уштеде инвестиција и простора у подстаници, обично се уземљивачком трансформатору додаје трећи намотај који замењује трансформатор који се користи за напајање опреме која се користи у подстаници. Према националном стандарду за реактор, начин уземљења уземљивача може се поделити на директно уземљење; уземљење је преко реактора, отпорника и калема за сузбијање лука. Директно уземљење се не користи у Кини, али нека одељења за истраживање електроенергетике почела су да разматрају овај аспект. Уземљивачки трансформатор у страним земљама обично користи Z-тип везе, која се користи за неуземљене системе од 10 kV и представља заштиту уземљења дистрибутивне мреже. Када систем има квар уземљења, уземљивачки трансформатор показује високу импедансу на струју позитивне и инверзне секвенце и низак отпор на струју нулте секвенце, што омогућава поуздано функционисање заштите уземљења.

■ Трофазни уземљивач трансформатора

Трофазни трансформатор са уземљењем Овај тип трансформатора користи ожичење типа Z (или цик-цак ожичење). Разлика од обичних трансформатора је у томе што је свака фазна намота подељена у две групе и намотана на магнетни пол ове фазе у обрнутом смеру. Предност ове везе је у томе што магнетни флукс нулте секвенце може да тече дуж магнетног пола, док магнетни флукс нулте секвенце обичних трансформатора тече дуж магнетног кола цурења. Стога је импеданса нулте секвенце трансформатора са уземљењем типа Z веома мала (око 10 Ω), док је код обичних трансформатора много већа. Према прописима, капацитет обичног трансформатора са калемом за сузбијање лука не сме прећи 20% капацитета трансформатора. Трансформатор типа Z може бити опремљен калемом за сузбијање лука капацитета од 90%~100%. Поред калема за сузбијање лука, трансформатор са уземљењем може бити опремљен и секундарним оптерећењем, што може заменити трансформатор станице, чиме се штеди инвестициони трошкови.

■ Једнофазни уземљивачки трансформатор

Једнофазни трансформатор за уземљење Једнофазни трансформатор за уземљење се углавном користи за генератор са неутралном тачком и отпорним кућиштем за уземљење неутралне тачке Сатоновог трансформатора како би се смањили трошкови и запремина отпорног кућишта.

■ Радне карактеристике

(1) Ниска импеданса нулте секвенце ради обезбеђивања излаза струје нулте секвенце;

(2) Висока импеданса побуде ради смањења струје празног хода;

(3) Низак губитак без оптерећења ради уштеде енергије за свакодневни рад.

■ Режим ожичења

YNyn веза

Трансформатор са овим начином повезивања генерално користи трофазно тростубно гвоздено језгро, а неутрална тачка на страни високог напона може бити повезана са калемом за сузбијање лука ради остваривања уземљења. Међутим, када једнофазна уземљена струја нулте секвенце тече кроз намотај на страни високог напона, генерисани магнетни потенцијал нулте секвенце не може бити уравнотежен секундарним магнетним потенцијалом, а магнетни флукс нулте секвенце у истом смеру не може формирати петљу у тростубном гвозденом језгру, тако да велики број магнетних флукса нулте секвенце може проћи само кроз стезаљку, уље и тело резервоара за уље, формирајући затворену петљу, што узрокује додатне губитке у резервоару за уље и стезаљци, што резултира локалним прегревањем. Искоришћење капацитета трансформатора је ограничено. Релевантни прописи о раду кинеског енергетског сектора донели су следеће одредбе о радном стању калема за сузбијање лука на споју неутралне тачке YNyn прикључног трансформатора:

(1) Капацитет калема за сузбијање лука не сме прећи 20% номиналног капацитета трансформатора;

(2) Пад напона нулте секвенце генерисан струјом нулте секвенце која тече кроз калем за сузбијање лука у трансформатору не сме прећи 10% номиналног фазног напона;

Начин повезивања YNd трансформатора и калема за сузбијање лука XL карактерише се тиме што троугласти спој на секундарној страни може да обезбеди затворен пут струје нулте секвенце, тако да је реактанса нулте секвенце мала. Поред тога, пошто је магнетни потенцијал нулте секвенце примарног и секундарног намотаја на свакој језгровој колони уравнотежен, магнетно цурење нулте секвенце је такође мало. Међутим, када је YN намотај споља, додатни губици нулте секвенце у резервоару за уље и другим компонентама не могу се у потпуности избећи. Када је повезан са калемом за сузбијање лука, коришћење његовог капацитета ће и даље бити ограничено. Страно истраживање тестова показује да је дозвољени режим рада YNd повезаног трансформатора за уземљење:

(1) Када је секундарно пуно оптерећење нормално, капацитет калема за сузбијање лука повезаног на страни YN не сме прећи 50% номиналног капацитета трансформатора;

(2) Када је секундарно оптерећење само 50% капацитета трансформатора у нормалним временима, капацитет калема за сузбијање лука може бити једнак номиналном капацитету трансформатора.

Иако секундарна страна ове везе може напајати регионална оптерећења или саму трафостаницу, њена примена ће бити знатно ограничена јер је троугласта веза тешка за истовремено напајање хибридних корисника енергије и осветљења.

YN, отворена d веза је повезана са калемом за сузбијање лука XL, што је слично YNd вези. Начин везе отворене d везе може се повезати са отпорником или реактором на страни отвореног троугла ради подешавања реактансе нулте секвенце трансформатора, а веза отпорника такође може сузбити феромагнетну резонанцу мреже. Ако се усвоји трофазно петострубно гвоздено језгро, вредност импедансе нулте секвенце се такође може значајно повећати, а могуће је чак и изоставити калем за сузбијање лука, али је структура сложена, а трошкови се повећавају. Поред тога, секундарна употреба везе отвореног троугла не може задовољити потребе напајања регионалних оптерећења и сопствене потрошње, тако да се ова метода не користи широко.

Трансформатор са ZN, yn везом је повезан са калемом за сузбијање лука XL, што је уобичајени начин повезивања за уземљење трансформатора. Пошто је магнетни потенцијал нулте секвенце у горњој и доњој половини намотаја на истој гвозденој колони цик-цак везе исте величине и супротног смера, што се међусобно супротставља, флукс цурења нулте секвенце се смањује на веома малу вредност, тако да је вредност његове реактансе нулте секвенце веома мала, а његов капацитет може бити једнак капацитету повезаног калема за сузбијање лука.

Уземљивачки трансформатор који се широко користи у земљи и иностранству углавном се повезује на овај начин. Пошто се метод yn споја користи на страни ниског напона, може истовремено да напаја локалну енергију или енергију за сопствену употребу трафостанице. Капацитет стране ниског напона је обично мањи од капацитета стране високог напона. У већини случајева, капацитет стране ниског напона је у опсегу од 80-200kVA.

Иако номинални капацитет високонапонске стране може бити једнак капацитету повезаног калема за сузбијање лука, Z-обликовани спој ће имати 1,15 пута више намотаја од Y-обликованог споја, тако да стварни капацитет уземљивача трансформатора треба да буде 1,15 пута већи од капацитета калема за сузбијање лука.

■ Принцип рада

Дијаграм принципа рада уземљивача трансформатора у случају једнофазног квара у систему илустрован је уобичајеним ZNyn ожичењем. Када уземљивач трансформатора пролази кроз одређену величину струје нулте секвенце током рада, струја која тече кроз два једнофазна намотаја на истом гвозденом језгру је у супротним смеровима и једнаке величине, тако да је магнетни потенцијал генерисан струјом нулте секвенце управо супротан од помака, тако да је импеданса нулте секвенце такође веома мала.

Када трансформатор за уземљење откаже, кроз неутралну тачку може да протиче компензациона струја. Због мале импедансе нулте секвенце, када струја нулте секвенце пролази, пад напона импедансе који се генерише треба да буде што мањи како би се осигурала безбедност система. Пошто трансформатор за уземљење има карактеристике ниске импедансе нулте секвенце, када се у фази C догоди једнофазни квар уземљења, струја I фазе C тече кроз земљу у неутралну тачку и дели се на три једнака дела да би текла у трансформатор за уземљење. Пошто су трофазне струје које теку у трансформатор за уземљење једнаке, померање неутралне тачке N остаје непромењено, а напон трофазне мреже остаје симетричан.

Међутим, у процесу производње, намотаји и геометријске димензије горњег и доњег намотаја високонапонског намотаја не могу бити потпуно једнаки, што онемогућава да се магнетни потенцијал генерисан струјом нулте секвенце тачно помери у супротном смеру, а да се и даље генерише одређена импеданса нулте секвенце, обично око 6-10 Ω. У поређењу са импедансом нулте секвенце трансформатора повезаног у звезду од 600 Ω, његове предности су саме по себи очигледне. Поред тога, цик-цак трансформатор за уземљење такође може да смањи струју празног хода и губитке празног хода. У поређењу са обичним трансформатором повезаним у звезду, свако фазно гвоздено језгро цик-цак трансформатора за уземљење састоји се од намотаја два стуба гвозденог језгра. Према његовом векторском дијаграму, у поређењу са обичним трансформатором повезаним у звезду, потребно га је намотати 1,16 пута више када је напон исти. Амплитуда импедансе нулте секвенце и импедансе позитивног секвенце градске дистрибутивне мреже са једнофазним уземљењем под режимом уземљења отпора неутралне тачке значајно се разликује. Када протичу трофазне струје позитивне и негативне секвенце, магнетни потенцијал на сваком стубу гвозденог језгра трансформатора за уземљење је збир фазора магнетног потенцијала два намотаја различитих фаза на стубу гвозденог језгра. Магнетни потенцијал на три стуба гвозденог језгра је група трофазних равнотежних величина са фазном разликом од 120°. Генерисани магнетни флукс може формирати петљу на три стуба гвозденог језгра. Магнетни отпор магнетног кола је мали, магнетни флукс је велики, а индуковани потенцијал је велики, што показује велику импедансу позитивне и негативне секвенце; Стога, трансформатор за уземљење има карактеристике велике импедансе позитивне и негативне секвенце и мале импедансе нулте секвенце.

■ Главни технички параметри

Да би се задовољиле потребе компензације уземљења калема за сузбијање лука у дистрибутивној мрежи, а такође и потребе снаге подстанице и оптерећења расвете, изабран је трансформатор са Z-тип прикључка, а главни параметри трансформатора за уземљење морају бити разумно подешени.

(1) Капацитет примарне стране уземљивача трансформатора са номиналним капацитетом мора да одговара капацитету калема за сузбијање лука. Према спецификацији капацитета постојећег калема за сузбијање лука, препоручује се да се капацитет уземљивача подеси на 1,05-1,15 пута већи од капацитета калема за сузбијање лука. На пример, капацитет уземљивача опремљеног једним калемом за сузбијање лука од 200kVA је 215kVA.

(2) Укупна струја која тече кроз неутралну тачку трансформатора у случају једнофазног квара струје компензације неутралне тачке:

Где:

U је напон мреже дистрибутивне мреже (V); Zx је импеданса калема за сузбијање лука (Ω);

Zd је примарна импеданса нулте секвенце уземљивача (Ω/фаза);

Zs је импеданса система (Ω);

Трајање струје компензације неутралне тачке треба да буде исто као и трајање калема за сузбијање лука, које треба да буде 2 сата како је наведено.

(3) Импеданса нулте секвенце Импеданса нулте секвенце је важан параметар уземљивача трансформатора, који има важан утицај на релејну заштиту како би се ограничила струја кратког споја једнофазног уземљења и сузбио пренапон. За цик-цак (Z тип) и звезда/отворени делта повезане уземљиваче без секундарних намотаја, постоји само једна импеданса, наиме импеданса нулте секвенце, тако да производно одељење може да испуни захтеве енергетског одељења.

(4) Губитак је важан параметар перформанси уземљивог трансформатора. Код уземљивог трансформатора са секундарним намотајем, губитак у празном ходу може бити исти као код двоструког намотајног трансформатора истог капацитета. Што се тиче губитка оптерећења, када секундарна страна ради под пуним оптерећењем, губитак оптерећења примарне стране је мањи него код двоструког намотајног трансформатора истог капацитета као секундарна страна због малог оптерећења примарне стране.

(5) Према националном стандарду, пораст температуре уземљивог трансформатора је следећи:

1) Пораст температуре испод називне континуиране струје мора бити у складу са одредбама националног стандарда за суве трансформаторе опште снаге, али се углавном примењује на уземљиваче са честим оптерећењем на секундарној страни;

2) Када је трајање краткотрајне струје оптерећења мање од 10 s (углавном када је неутрална тачка повезана са отпором), пораст температуре мора бити у складу са одредбама националног стандарда за енергетски трансформатор о граници пораста температуре у условима кратког споја;

3) Пораст температуре уземљивача и калема за сузбијање лука при заједничком раду мора бити у складу са одредбама о порасту температуре калема за сузбијање лука: температура намотаја који континуирано протиче кроз номиналну струју је 80K, што се углавном односи на уземљивач са спојем звезда/отворени троугао; За намотај са максималним временом протока номиналне струје наведеним као 2h, наведена температура је 100K.