Sınıflandırmadan bağlantı şekline kadar, topraklama transformatörünün en kapsamlı açıklaması.

Güç sistemindeki 6kV, 10kV ve 35kV güç şebekeleri genellikle nötr topraklanmamış çalışma modunu benimser. Güç şebekesindeki ana transformatörün alçak gerilim tarafı genellikle üçgen şeklinde bağlanır ve topraklanabilecek bir nötr nokta bulunmaz. Nötr topraklanmamış bir sistemde tek fazlı topraklama arızası meydana geldiğinde, hat gerilimi üçgeni simetrik kalır. Güç sistemi kullanıcılara 1 ila 2 saat boyunca güç sağlamaya devam edebilir ve kapasitif akım nispeten küçüktür (10A'den az), bu da aralıklı ark oluşumuna neden olmaz. Bazı geçici topraklama arızaları otomatik olarak ortadan kalkabilir, bu da güç kaynağı güvenilirliğini artırmak ve elektrik kesintisi kazalarını azaltmak için çok etkilidir. Bununla birlikte, kentsel güç şebekesinin sürekli genişlemesi ve kablo çıkış hatlarının sürekli artmasıyla, sistemin toprağa olan kapasitif akımı keskin bir şekilde artar ve tek fazlı topraklamadan sonra arıza noktasından geçen kapasitif akım büyüktür (10A'den fazla).

Arkın söndürülmesi kolay değildir, ferromanyetik rezonans aşırı gerilimini kolayca tetikleyebilir ve aralıklı ark ışığı topraklama aşırı gerilimi üretebilir; bu da yalıtım hasarına, hat kesintisine ve kaza riskinin artmasına neden olabilir.

Özellikle:

Tek fazlı topraklama arkının aralıklı olarak sönmesi ve yeniden tutuşması, genliği 4U'ya (U, normal faz geriliminin tepe değeridir) veya daha yüksek ve uzun süreli ark topraklama aşırı gerilimine neden olur; bu da elektrikli ekipmanların izolasyonuna büyük zarar verir ve zayıf izolasyonda arızaya yol açarak ağır kayıplara neden olur.

Sürekli arkın neden olduğu hava ayrışması, çevredeki havanın yalıtımını bozar ve fazlar arası kısa devreye yatkın hale gelir.

Ferromanyetik rezonans aşırı gerilimi, gerilim transformatörünün kolayca yanmasına ve parafudrda hasara yol açabilir, hatta parafudrdanın patlamasına neden olabilir. Bu sonuçlar, elektrik şebekesi ekipmanlarının izolasyonunu ciddi şekilde tehdit eder ve elektrik şebekesinin güvenli çalışmasını tehlikeye atar.

Tek fazlı topraklama arızası durumunda toprağa olan kapasitif akımı azaltmak için, transformatörün nötr noktasına ark söndürme bobini ve diğer kompanzasyon cihazlarının takılması gereklidir. Bu nedenle, topraklama kısa devre kesme akımını azaltmak ve sistem güç kaynağının güvenilirliğini artırmak için ark söndürme bobininin nötr noktaya bağlanabilmesi amacıyla nötr noktanın manuel olarak belirlenmesi gereklidir.

■ Yurtiçi ve yurtdışındaki mevcut kullanım

Çin'de topraklama transformatörleri genellikle Z tipi (veya zikzak) kablolama kullanır. Yatırım ve trafo merkezi alanından tasarruf etmek için, trafo merkezinde kullanılan ekipmanlara güç sağlamak için kullanılan transformatörün yerine, topraklama transformatörüne genellikle üçüncü bir sargı eklenir. Reaktör ulusal standardına göre, topraklama transformatörünün topraklama modu doğrudan topraklama olarak ikiye ayrılabilir; bu, reaktör, direnç ve ark söndürme bobini aracılığıyla topraklamadır. Doğrudan topraklama Çin'de kullanılmamaktadır, ancak bazı elektrik enerjisi araştırma departmanları bu konuyu tartışmaya başlamıştır. Yabancı ülkelerde topraklama transformatörleri genellikle Z tipi bağlantı kullanır ve 10 kV topraklanmamış sistemlerde kullanılır ve dağıtım şebekesinin topraklama korumasını oluşturur. Sistemde topraklama arızası olduğunda, topraklama transformatörü pozitif ve negatif dizi akımına yüksek empedans ve sıfır dizi akımına düşük direnç göstererek topraklama korumasının güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlar.

■ Üç fazlı topraklama transformatörü

Üç fazlı topraklama transformatörü Bu tip transformatör, Z tipi kablolama (veya zikzak kablolama) kullanır. Sıradan transformatörlerden farkı, her faz bobininin iki gruba ayrılması ve bu fazın manyetik kutbuna ters yönde sarılmasıdır. Bu bağlantının avantajı, sıfır dizi manyetik akısının manyetik kutup boyunca akabilmesidir, oysa sıradan transformatörlerin sıfır dizi manyetik akısı manyetik kaçak devresi boyunca akar. Bu nedenle, Z tipi topraklama transformatörlerinin sıfır dizi empedansı çok küçüktür (yaklaşık 10 Ω), oysa sıradan transformatörlerin sıfır dizi empedansı çok daha büyüktür. Yönetmeliklere göre, ark söndürme bobinli sıradan transformatörün kapasitesi, transformatör kapasitesinin %20'sini geçmemelidir. Z tipi transformatör, %90~100 kapasiteli ark söndürme bobini ile donatılabilir. Ark söndürme bobinine ek olarak, topraklama transformatörüne ikincil yük de takılabilir, bu da istasyon transformatörünün yerini alabilir ve böylece yatırım maliyetinden tasarruf sağlayabilir.

■ Tek fazlı topraklama transformatörü

Tek fazlı topraklama transformatörü, esas olarak nötr noktası ve nötr noktası topraklama direnç kabini bulunan jeneratörlerde, direnç kabininin maliyetini ve hacmini azaltmak için kullanılır.

■ Çalışma özellikleri

(1) Sıfır dizi akımının çıkışını sağlamak için düşük sıfır dizi empedansı;

(2) Yüksüz akımı azaltmak için yüksek uyarma empedansı;

(3) Günlük çalışma için enerji tüketimini azaltmak amacıyla düşük yüksüz kayıp.

■ Kablolama modu

YNyn bağlantısı

Bu bağlantı moduna sahip transformatör genellikle üç fazlı üç kolonlu demir çekirdek kullanır ve yüksek gerilim tarafındaki nötr nokta, topraklamayı sağlamak için ark söndürme bobini ile bağlanabilir. Bununla birlikte, tek fazlı topraklanmış sıfır dizi akımı yüksek gerilim tarafı sargısından aktığında, oluşan sıfır dizi manyetik potansiyeli ikincil manyetik potansiyel tarafından dengelenemez ve aynı yöndeki sıfır dizi manyetik akısı üç kolonlu demir çekirdekte bir döngü oluşturamaz, bu nedenle çok sayıda sıfır dizi manyetik akısı yalnızca kelepçe, yağ ve yağ tankı gövdesinden geçerek kapalı bir döngü oluşturabilir, bu da yağ tankında ve kelepçede ek kayıplara neden olarak yerel aşırı ısınmaya ve transformatör kapasitesinin sınırlı kullanımına yol açar. Çin'in enerji sektörünün ilgili işletme yönetmelikleri, YNyn bağlantılı transformatörün nötr nokta bağlantılı ark söndürme bobininin çalışma durumu hakkında aşağıdaki hükümleri getirmiştir:

(1) Ark bastırma bobininin kapasitesi, transformatörün nominal kapasitesinin %20'sini geçmemelidir;

(2) Transformatördeki ark söndürme bobininden geçen sıfır dizi akımının oluşturduğu sıfır dizi gerilim düşümü, nominal faz geriliminin %10'unu geçmemelidir;

YNd bağlantılı transformatör ve ark söndürme bobini XL'nin bağlantı modu, sekonder taraftaki üçgen bağlantının sıfır sekans akımının kapalı bir yolunu sağlayabilmesi ve bu nedenle sıfır sekans reaktansının küçük olmasıyla karakterize edilir. Ek olarak, her bir çekirdek sütunundaki primer ve sekonder sargıların sıfır sekans manyetik potansiyeli dengeli olduğundan, sıfır sekans manyetik kaçağı da küçüktür. Bununla birlikte, YN bağlantı sargısı dışarıda olduğunda, yağ tankında ve diğer bileşenlerde oluşan sıfır sekans ek kayıpları tamamen önlenemez. Ark söndürme bobini ile bağlandığında, kapasitesinin kullanımı yine de sınırlı olacaktır. Yabancı test araştırmaları, YNd bağlantılı topraklama transformatörünün izin verilen çalışma modunun şu şekilde olduğunu göstermektedir:

(1) İkincil tam yük normal olduğunda, YN tarafına bağlı ark bastırma bobininin kapasitesi transformatörün nominal kapasitesinin %50'sini geçmemelidir;

(2) Normal zamanlarda ikincil yük transformatör kapasitesinin yalnızca %50'si olduğunda, ark söndürme bobini kapasitesi transformatörün nominal kapasitesine eşit olabilir.

Bu bağlantının ikincil tarafı bölgesel yüklere veya trafo merkezine güç sağlayabilse de, üçgen bağlantının aynı anda hibrit güç ve aydınlatma kullanıcılarına güç sağlamasının zor olması nedeniyle uygulaması büyük ölçüde sınırlı olacaktır.

YN, açık d bağlantısı, YNd bağlantısına benzer şekilde ark bastırma bobini XL ile bağlanır. Açık d bağlantı modu, transformatörün sıfır dizili reaktansını ayarlamak için açık üçgenin yan tarafına bir direnç veya reaktör ile bağlanabilir ve direnç bağlantısı ayrıca şebekenin ferromanyetik rezonansını da bastırabilir. Üç fazlı beş kolonlu demir çekirdek kullanılırsa, sıfır dizili empedans değeri de büyük ölçüde artırılabilir ve hatta ark bastırma bobini tamamen ortadan kaldırılabilir, ancak yapı karmaşıktır ve maliyet artar. Ayrıca, açık üçgen bağlantısının ikincil kullanımı, bölgesel yüklere güç sağlama ve kendi kendine kullanım gücü ihtiyaçlarını karşılayamaz, bu nedenle bu yöntem yaygın olarak kullanılmamaktadır.

ZN, yn bağlantılı transformatör, topraklama transformatörleri için yaygın bir bağlantı şekli olan XL ark söndürme bobini ile bağlanır. Zigzag bağlantı yönteminde, aynı demir çekirdek kolonundaki üst ve alt yarım sargılardaki sıfır dizi manyetik potansiyeli aynı büyüklükte ve zıt yönde olduğundan, birbirini dengeleyerek sıfır dizi kaçak akısını çok küçük bir değere indirir, böylece sıfır dizi reaktans değeri çok küçük olur ve kapasitesi bağlı ark söndürme bobininin kapasitesine eşit olabilir.

Yurt içinde ve yurt dışında yaygın olarak kullanılan topraklama transformatörü esas olarak bu şekilde bağlanır. Alçak gerilim tarafında YN bağlantı yöntemi kullanıldığı için, aynı anda yerel güç veya trafo merkezinin kendi kullanım gücünü sağlayabilir. Alçak gerilim tarafının kapasitesi genellikle yüksek gerilim tarafının kapasitesinden daha küçüktür. Çoğu durumda, alçak gerilim tarafının kapasitesi 80-200 kVA aralığındadır.

Yüksek gerilim tarafının nominal kapasitesi, bağlı ark söndürme bobininin kapasitesine eşit olsa da, Z şeklindeki bağlantı, Y şeklindeki bağlantıya göre 1,15 kat daha fazla sarım sayısına sahip olacaktır; bu nedenle topraklama transformatörünün gerçek kapasitesi, ark söndürme bobininin kapasitesinin 1,15 katı olmalıdır.

■ Çalışma prensibi

Sistemde tek fazlı arıza durumunda topraklama transformatörünün çalışma prensibi şeması, yaygın ZNyn kablolamasıyla gösterilmiştir. Topraklama transformatörü çalışma sırasında belirli bir büyüklükte sıfır dizi akımından geçtiğinde, aynı demir çekirdek kolon üzerindeki iki tek fazlı sargıdan geçen akım zıt yönlerde ve eşit büyüklüktedir; bu nedenle sıfır dizi akımı tarafından oluşturulan manyetik potansiyel tam olarak zıt yöndedir, böylece sıfır dizi empedansı da çok küçüktür.

Topraklama transformatörü arızalandığında, nötr noktadan kompanzasyon akımı geçebilir. Düşük sıfır dizi empedansı nedeniyle, sıfır dizi akımı geçtiğinde oluşan empedans gerilim düşüşü, sistemin güvenliğini sağlamak için mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Topraklama transformatörünün düşük sıfır dizi empedansı özelliğinden dolayı, C fazında tek fazlı bir topraklama arızası meydana geldiğinde, C fazı topraklama akımı I, toprak üzerinden nötr noktaya akar ve üç eşit parçaya bölünerek topraklama transformatörüne akar. Topraklama transformatörüne akan üç fazlı akımlar eşit olduğundan, nötr nokta N'nin yer değiştirmesi değişmez ve üç fazlı hat gerilimi simetrik kalır.

Ancak, üretim sürecinde, yüksek gerilim sargısının üst ve alt sargılarının sarım sayıları ve geometrik boyutları tamamen eşit olamaz; bu da sıfır dizi akımı tarafından üretilen manyetik potansiyelin tam olarak ters yönde dengelenmesini imkansız kılar ve yine de genellikle yaklaşık 6-10 Ω olan belirli bir sıfır dizi empedansı üretir. 600 Ω'luk yıldız bağlantılı transformatörün sıfır dizi empedansı ile karşılaştırıldığında, avantajları açıktır. Ek olarak, zikzak topraklama transformatörü, yüksüz akımı ve yüksüz kaybı da mümkün olduğunca küçük hale getirebilir. Sıradan yıldız bağlantılı transformatörle karşılaştırıldığında, zikzak bağlantılı transformatörün her faz demir çekirdeği, iki demir çekirdek sütunundan oluşan sargılardan oluşur. Vektör diyagramına göre, sıradan yıldız bağlantılı transformatörle karşılaştırıldığında, aynı gerilimde 1,16 kat daha fazla sarım yapılması gerekir. Nötr nokta direnci topraklama modunda tek fazlı topraklamalı kentsel dağıtım şebekesinin sıfır dizi empedansı ve pozitif dizi empedansının genliği büyük ölçüde farklılık gösterir. Üç fazlı pozitif ve negatif sıralı akımlar aktığında, topraklama transformatörünün her bir demir çekirdek sütunundaki manyetik potansiyel, demir çekirdek sütunundaki farklı fazlardaki iki sargının manyetik potansiyellerinin fazörlerinin toplamıdır. Üç demir çekirdek sütunundaki manyetik potansiyel, 120° faz farkına sahip üç fazlı denge miktarları grubudur. Oluşan manyetik akı, üç demir çekirdek sütununda bir döngü oluşturabilir. Manyetik devrenin manyetik direnci küçüktür, manyetik akı büyüktür ve indüklenen potansiyel büyüktür, bu da büyük bir pozitif ve negatif sıralı empedans gösterir; bu nedenle, topraklama transformatörü büyük pozitif ve negatif sıralı empedans ve küçük sıfır sıralı empedans özelliklerine sahiptir.

■ Başlıca teknik parametreler

Dağıtım şebekesinde ark söndürme bobini topraklama kompanzasyon ihtiyaçlarını karşılamak ve ayrıca trafo merkezi güç ve aydınlatma yükü ihtiyaçlarını karşılamak için Z tipi bağlantı transformatörü seçilir ve topraklama transformatörünün ana parametrelerinin makul bir şekilde ayarlanması gerekir.

(1) Nominal kapasiteli topraklama transformatörünün birincil taraf kapasitesi, ark söndürme bobininin kapasitesiyle eşleşmelidir. Mevcut ark söndürme bobininin kapasite özelliklerine göre, topraklama transformatörünün kapasitesinin, ark söndürme bobininin kapasitesinin 1,05-1,15 katı olarak ayarlanması önerilir. Örneğin, 200 kVA'lık bir ark söndürme bobini ile donatılmış topraklama transformatörünün kapasitesi 215 kVA'dır.

(2) Nötr nokta kompanzasyon akımının tek fazlı arızası durumunda transformatör nötr noktasından geçen toplam akım:

Nerede:

U, dağıtım şebekesinin hat gerilimidir (V); Zx ise ark söndürme bobininin empedansıdır (Ω);

Zd, topraklama transformatörünün birincil sıfır dizi empedansıdır (Ω/faz);

Zs, sistem empedansıdır (Ω);

Nötr nokta kompanzasyon akımının süresi, belirtildiği gibi 2 saat olmak üzere, ark söndürme bobininin süresiyle aynı olmalıdır.

(3) Sıfır dizi empedansı Sıfır dizi empedansı, tek fazlı topraklama kısa devre akımını sınırlamak ve aşırı gerilimi bastırmak için röle korumasında önemli bir etkiye sahip olan topraklama transformatörünün önemli bir parametresidir. İkincil bobinleri olmayan zikzak (Z tipi) ve yıldız/açık delta bağlantılı topraklama transformatörleri için yalnızca bir empedans vardır, o da sıfır dizi empedansıdır, böylece üretim departmanı güç departmanının gereksinimlerini karşılayabilir.

(4) Kayıp, topraklama transformatörünün önemli bir performans parametresidir. Sekonder bobinli topraklama transformatörü için, yüksüz kayıp, aynı kapasitedeki çift sargılı transformatörün yüksüz kaybıyla aynı olabilir. Yük kaybı açısından, sekonder taraf tam yükte çalışırken, primer tarafın yük kaybı, primer tarafın hafif yükü nedeniyle sekonder tarafla aynı kapasitedeki çift sargılı transformatörün yük kaybından daha azdır.

(5) Ulusal standarda göre, topraklama transformatörünün sıcaklık artışı aşağıdaki gibidir:

1) Nominal sürekli akım altında sıcaklık artışı, genel güç transformatörlerinin kuru tip transformatörleri için ulusal standardın hükümlerine uygun olmalıdır, ancak bu esas olarak sekonder tarafta sık yük bulunan topraklama transformatörleri için geçerlidir;

2) Kısa süreli yük akımının süresi 10 saniyeden az olduğunda (özellikle nötr nokta dirençle bağlandığında), sıcaklık artışı, kısa devre koşullarındaki sıcaklık artışı limiti ile ilgili ulusal standart güç transformatörünün hükümlerine uygun olmalıdır;

3) Topraklama transformatörü ve ark söndürme bobininin birlikte çalışması durumunda sıcaklık artışı, ark söndürme bobininin sıcaklık artışına ilişkin hükümlere uygun olmalıdır: nominal akımdan sürekli olarak geçen sargı sıcaklığı 80K'dir ve bu esas olarak yıldız/açık üçgen bağlantılı topraklama transformatörleri için geçerlidir; nominal akımın maksimum akış süresi 2 saat olarak belirtilen sargı için belirtilen sıcaklık 100K'dir.