Від класифікації до способу підключення, найповніше пояснення заземлювального трансформатора

Електромережі 6 кВ, 10 кВ та 35 кВ в енергосистемі зазвичай використовують режим роботи з незаземленою нейтраллю. Низьковольтна сторона головного трансформатора в енергосистемі зазвичай підключена трикутником, і немає нейтральної точки, яку можна заземлити. Коли в системі з незаземленою нейтраллю виникає однофазне замикання на землю, трикутник лінійної напруги залишається симетричним. Енергосистема може продовжувати постачати електроенергію споживачам протягом 1-2 годин, а ємнісний струм відносно невеликий (менше 10 А), що не спричиняє переривчастої дуги. Деякі тимчасові замикання на землю можуть зникати автоматично, що дуже ефективно для підвищення надійності електропостачання та зменшення кількості аварій, пов'язаних з відключенням електроенергії. Однак, з постійним розширенням міської енергосистеми та постійним збільшенням кількості вихідних кабельних ліній, ємнісний струм системи до землі різко зростає, а ємнісний струм, що протікає через точку замикання після однофазного заземлення, є великим (більше 10 А).

Дугу нелегко загасити, вона легко збуджує феромагнітний резонанс перенапруги та створює періодичну перенапругу заземлення дуги, що може призвести до пошкодження ізоляції, спрацьовування лінії та розширення аварії.

Зокрема:

Періодичне згасання та повторне запалювання однофазної дуги заземлення призведе до перенапруги дуги заземлення з амплітудою до 4U (U - пікове значення нормальної фазної напруги) або вище та тривалої тривалості, що завдасть значної шкоди ізоляції електрообладнання та спричинить пробій при слабкій ізоляції; спричинить великі втрати.

Дисоціація повітря, спричинена безперервною дугою, руйнує ізоляцію навколишнього повітря та схильна до міжфазного короткого замикання.

Перенапруга, спричинена феромагнітним резонансом, може легко вивести з ладу трансформатор напруги та пошкодити розрядник, що може навіть призвести до його вибуху. Ці наслідки серйозно загрожують ізоляції обладнання електромережі та безпечній роботі електромережі.

Щоб зменшити ємнісний струм на землю у разі однофазного замикання на землю, необхідно встановити котушку дугогасіння та інші компенсаційні пристрої в нейтральній точці трансформатора. Тому необхідно вручну встановити нейтральну точку, щоб котушку дугогасіння можна було підключити до нейтральної точки, щоб зменшити струм відключення короткого замикання на землю та підвищити надійність живлення системи.

■ Поточне використання в країні та за кордоном

Заземлювальний трансформатор у Китаї зазвичай використовує Z-подібне з'єднання (або зигзагоподібне з'єднання). Для економії інвестицій та простору підстанції до заземлювального трансформатора зазвичай додають третю обмотку, щоб замінити трансформатор, який використовується для живлення обладнання підстанції. Згідно з національним стандартом реакторів, режим заземлення заземлювального трансформатора можна розділити на пряме заземлення; заземлення здійснюється через реактор, опір та котушку дугогасіння. Пряме заземлення не використовується в Китаї, але деякі дослідницькі відділи електроенергетики почали обговорювати цей аспект. Заземлювальний трансформатор у зарубіжних країнах зазвичай використовує Z-подібне з'єднання, яке використовується для незаземлених систем 10 кВ та забезпечує захист заземлення розподільчої мережі. Коли в системі є замикання на землю, заземлювальний трансформатор має високий імпеданс для струмів прямої та зворотної послідовності та низький опір для струмів нульової послідовності, що забезпечує надійну роботу захисту заземлення.

■ Трифазний заземлювальний трансформатор

Трифазний заземлювальний трансформатор. Цей тип трансформатора використовує Z-подібне з'єднання (або зигзагоподібне з'єднання). Відмінність від звичайних трансформаторів полягає в тому, що кожна фазна котушка розділена на дві групи та намотана на магнітний полюс цієї фази у зворотному порядку. Перевага такого з'єднання полягає в тому, що магнітний потік нульової послідовності може протікати вздовж магнітного полюса, тоді як магнітний потік нульової послідовності звичайних трансформаторів протікає вздовж кола магнітного витоку. Тому імпеданс нульової послідовності заземлювальних трансформаторів Z-типу дуже малий (близько 10 Ом), тоді як у звичайних трансформаторів він значно більший. Згідно з нормативними актами, потужність звичайного трансформатора з котушкою дугогасіння не повинна перевищувати 20% від потужності трансформатора. Трансформатор Z-типу може бути оснащений котушкою дугогасіння потужністю 90%~100%. На додаток до котушки дугогасіння, заземлювальний трансформатор також може бути оснащений вторинним навантаженням, яке може замінити трансформатор станції, що заощаджує інвестиційні витрати.

■ Однофазний заземлювальний трансформатор

Однофазний заземлювальний трансформатор. Однофазний заземлювальний трансформатор в основному використовується для генератора з нейтральною точкою та шафою опору заземлення нейтральної точки трансформатора Satons для зменшення вартості та об'єму шафи опору.

■ Робочі характеристики

(1) Низький імпеданс нульової послідовності для забезпечення виходу струму нульової послідовності;

(2) Високий імпеданс збудження для зменшення струму холостого ходу;

(3) Низькі втрати холостого ходу для економії енергії під час щоденної роботи.

■ Режим підключення

Зв'язок YNyn

Трансформатор з таким режимом з'єднання зазвичай використовує трифазний триколонний залізний сердечник, а нейтральна точка на стороні високої напруги може бути з'єднана з котушкою дугогасіння для реалізації заземлення. Однак, коли однофазний заземлений струм нульової послідовності протікає через обмотку на стороні високої напруги, генерований магнітний потенціал нульової послідовності не може бути збалансований вторинним магнітним потенціалом, і магнітний потік нульової послідовності в тому ж напрямку не може утворити петлю в триколонному залізному сердечнику, тому велика кількість магнітних потоків нульової послідовності може проходити лише через затискач, масло та корпус масляного бака, утворюючи замкнуту петлю, що призводить до додаткових втрат у масляному баку та затискачі, що призводить до локального перегріву. Використання потужності трансформатора обмежене. Відповідні експлуатаційні норми енергетичного сектору Китаю містять такі положення щодо робочого стану котушки дугогасіння з'єднання нейтральної точки трансформатора з'єднання YNyn:

(1) Потужність дугогасної котушки не повинна перевищувати 20% від номінальної потужності трансформатора;

(2) Падіння напруги нульової послідовності, що виникає внаслідок протікання струму нульової послідовності через котушку дугогасіння в трансформаторі, не повинно перевищувати 10% від номінальної фазної напруги;

Режим з'єднання трансформатора з підтримкою YNd та дугогасної котушки XL характеризується тим, що трикутне з'єднання на вторинній стороні може забезпечити замкнутий шлях струму нульової послідовності, тому реактивний опір нульової послідовності невеликий. Крім того, оскільки магнітний потенціал нульової послідовності первинної та вторинної обмоток на кожному стовпчику осердя збалансований, магнітний витік нульової послідовності також невеликий. Однак, коли обмотка з'єднання YN знаходиться зовні, додаткових втрат нульової послідовності, що виникають у масляному баку та інших компонентах, неможливо повністю уникнути. При підключенні котушки дугогасіння використання її потужності все ще буде обмеженим. Закордонні випробування показують, що допустимий режим роботи трансформатора з заземленням, підключеного YNd, такий:

(1) За нормального повного вторинного навантаження потужність дугогасної котушки, підключеної з боку YN, не повинна перевищувати 50% номінальної потужності трансформатора;

(2) Коли вторинне навантаження становить лише 50% від потужності трансформатора у звичайні часи, потужність котушки дугогасіння може дорівнювати номінальній потужності трансформатора.

Хоча вторинна обмотка цього з'єднання може подавати живлення до регіональних навантажень або до самої підстанції, його застосування буде значно обмеженим, оскільки трикутне з'єднання ускладнює одночасне живлення гібридних споживачів електроенергії та освітлення.

З'єднання YN, розімкнуте d, з'єднане з котушкою дугогасіння XL, що подібно до з'єднання YNd. Режим з'єднання розімкнутого d може бути підключений до резистора або реактора на стороні розімкнутого трикутника для регулювання реактивного опору нульової послідовності трансформатора, а підключення резистора також може придушити феромагнітний резонанс мережі. Якщо використовується трифазний п'ятиколонний залізний сердечник, значення імпедансу нульової послідовності також може бути значно збільшено, і навіть можливо виключити котушку дугогасіння, але структура складна, а вартість зростає. Крім того, вторинне використання з'єднання розімкнутим трикутником не може задовольнити потреби живлення регіональних навантажень та власного споживання електроенергії, тому цей метод не отримав широкого поширення.

Трансформатор із з'єднанням ZN, yn підключено до дугогасної котушки XL, що є поширеним способом з'єднання для заземлюючого трансформатора. Оскільки магнітний потенціал нульової послідовності у верхній та нижній половинах обмоток на одному стовпчику із залізним осердям зигзагоподібного методу з'єднання має однаковий розмір та протилежний напрямок, що взаємно протидіє одному, потік витоку нульової послідовності зменшується до дуже малого значення, завдяки чому значення його реактивного опору нульової послідовності дуже мале, а його ємність може дорівнювати ємності підключеної дугогасної котушки.

Заземлювальний трансформатор, що широко використовується в країні та за кордоном, в основному підключається таким чином. Оскільки метод переходу yn використовується на стороні низької напруги, він може одночасно постачати місцеве живлення або живлення для власного використання підстанції. Потужність сторони низької напруги зазвичай менша, ніж у сторони високої напруги. У більшості випадків потужність сторони низької напруги знаходиться в діапазоні 80-200 кВА.

Хоча номінальна ємність високовольтної сторони може дорівнювати ємності підключеної дугогасної котушки, Z-подібне з'єднання матиме в 1,15 раза більше витків, ніж Y-подібне з'єднання, тому фактична ємність заземлювального трансформатора повинна бути в 1,15 раза більшою за ємність дугогасної котушки.

■ Принцип роботи

Принципова схема роботи заземлювального трансформатора у разі однофазного замикання в системі ілюструється загальною схемою підключення ZNyn. Коли через заземлювальний трансформатор проходить струм нульової послідовності певної величини під час роботи, струм, що протікає через дві однофазні обмотки на одному стовпчику із залізним сердечником, має протилежні напрямки та однакову величину, тому магнітний потенціал, що генерується струмом нульової послідовності, прямо протилежний зміщенню, тому імпеданс нульової послідовності також дуже малий.

Коли заземлювальний трансформатор виходить з ладу, через нейтральну точку може протікати компенсаційний струм. Через малий імпеданс нульової послідовності, коли проходить струм нульової послідовності, падіння напруги на імпедансі має бути якомога меншим для забезпечення безпеки системи. Оскільки заземлювальний трансформатор має характеристики низького імпедансу нульової послідовності, коли у фазі C виникає однофазне замикання на землю, струм заземлення фази C I протікає через землю в нейтральну точку та поділяється на три рівні частини, щоб втекти в заземлювальний трансформатор. Оскільки трифазні струми, що протікають у заземлювальний трансформатор, однакові, зміщення нейтральної точки N залишається незмінним, а напруга трифазної мережі залишається симетричною.

Однак, у процесі виробництва, витки та геометричні розміри верхньої та нижньої обмоток високовольтної обмотки не можуть бути повністю однаковими, що унеможливлює точне зміщення магнітного потенціалу, що генерується струмом нульової послідовності, у протилежному напрямку, і все одно створює певний імпеданс нульової послідовності, зазвичай близько 6-10 Ом. Порівняно з імпедансом нульової послідовності трансформатора, з'єднаного зіркою, що становить 600 Ом, його переваги очевидні. Крім того, трансформатор із зигзагоподібним заземленням також може максимально зменшити струм холостого ходу та втрати холостого ходу. Порівняно зі звичайним трансформатором із з'єднанням зірки, кожен фазний залізний сердечник трансформатора із зигзагоподібним з'єднанням складається з обмоток двох стовпчиків із залізним сердечником. Згідно з його векторною діаграмою, у порівнянні зі звичайним трансформатором із з'єднанням зірки, його потрібно намотувати в 1,16 раза більше при однаковій напрузі. Амплітуда імпедансу нульової послідовності та імпедансу прямої послідовності міської розподільчої мережі з однофазним заземленням у режимі заземлення опором нейтральної точки значно відрізняється. Коли через заземлювальний трансформатор протікає трифазний струм позитивної та негативної послідовності, магнітний потенціал на кожному стовпі із залізним осердям заземлювального трансформатора дорівнює сумі фазорів магнітного потенціалу двох обмоток різних фаз на стовпі із залізним осердям. Магнітний потенціал на трьох стовпах із залізним осердям являє собою групу рівноважних трифазних величин з різницею фаз 120°. Генерований магнітний потік може утворювати петлю на трьох стовпах із залізним осердям. Магнітний опір магнітного кола малий, магнітний потік великий, а індукований потенціал великий, що демонструє великий імпеданс позитивної та негативної послідовності; тому заземлювальний трансформатор має характеристики великого імпедансу позитивної та негативної послідовності, а також малого імпедансу нульової послідовності.

■ Основні технічні параметри

Для задоволення потреб компенсації заземлення дугогасної котушки в розподільчій мережі, а також для задоволення потреб живлення підстанції та освітлювального навантаження, вибирається трансформатор Z-подібного типу, а основні параметри заземлювального трансформатора необхідно встановити розумно.

(1) Потужність первинної обмотки заземлювального трансформатора з номінальною потужністю повинна відповідати потужності дугогасної котушки. Відповідно до специфікації потужності існуючої дугогасної котушки рекомендується встановити потужність заземлювального трансформатора в 1,05-1,15 раза більшу за потужність дугогасної котушки. Наприклад, потужність заземлювального трансформатора, оснащеного однією дугогасною котушкою потужністю 200 кВА, становить 215 кВА.

(2) Загальний струм, що протікає через нейтральну точку трансформатора у разі однофазного замикання компенсаційного струму нейтральної точки:

Де:

U – напруга мережі розподілу (В); Zx – імпеданс котушки дугогасіння (Ом);

Zd – первинний імпеданс нульової послідовності заземлювального трансформатора (Ом/фаза);

Zs – імпеданс системи (Ом);

Тривалість струму компенсації нейтральної точки повинна бути такою ж, як і тривалість дугового гасіння, яка повинна становити 2 години, як зазначено.

(3) Імпеданс нульової послідовності Імпеданс нульової послідовності є важливим параметром заземлювального трансформатора, який має суттєвий вплив на релейний захист для обмеження струму короткого замикання на землю в однофазній мережі та придушення перенапруги. Для заземлювальних трансформаторів, з'єднаних зигзагом (типу Z) та зіркою/розімкнутим трикутником, без вторинних обмоток існує лише один імпеданс, а саме імпеданс нульової послідовності, щоб виробничий відділ міг задовольнити вимоги енергетичного відділу.

(4) Втрати є важливим параметром роботи заземлювального трансформатора. Для заземлювального трансформатора з вторинною обмоткою втрати холостого ходу можуть бути такими ж, як і для двообмоткового трансформатора з такою ж потужністю. Щодо втрат навантаження, коли вторинна обмотка працює з повним навантаженням, втрати навантаження на первинній обмотці менші, ніж у двообмоткового трансформатора з такою ж потужністю, як і вторинна обмотка, через невелике навантаження на первинну обмотку.

(5) Згідно з національним стандартом, підвищення температури заземлювального трансформатора становить:

1) Підвищення температури під дією номінального постійного струму повинно відповідати положенням національного стандарту для сухих трансформаторів загального призначення, але він головним чином застосовується до заземлювальних трансформаторів з частим навантаженням на вторинній обмотці;

2) Якщо тривалість короткочасного струму навантаження менше 10 с (головним чином, коли нейтральна точка з'єднана з опором), підвищення температури повинно відповідати положенням національного стандарту для силових трансформаторів щодо межі підвищення температури в умовах короткого замикання;

3) Підвищення температури заземлювального трансформатора та дугогасної котушки під час спільної роботи повинно відповідати положенням щодо підвищення температури дугогасної котушки: температура обмотки, через яку безперервно протікає номінальний струм, становить 80 К, що головним чином стосується заземлювального трансформатора із з'єднанням зірка/розімкнутий трикутник; для обмотки з максимальним часом протікання номінального струму, зазначеним як 2 години, зазначена температура становить 100 К.