I trasformatori di terra, chiamati anche accoppiatori di neutro, sono utilizzati nei sistemi di potenza trifase in cui non è disponibile un punto di neutro o il punto di neutro non è portato all'esterno. Essi forniscono un punto di neutro artificiale in modo che il sistema possa essere messo a terra direttamente, tramite una resistenza o tramite una bobina di compensazione. Ciò aiuta a limitare le correnti di guasto a terra monofase e a sopprimere le sovratensioni sulle fasi sane.
I trasformatori di terra sono classificati come reattori nella IEC 60076-6:2007. La loro progettazione dipende dalle condizioni operative del sistema e dai requisiti della sottostazione. Poiché la letteratura esistente fornisce indicazioni limitate sulle prove, questo articolo discute le prove di riscaldamento per diversi tipi comuni di trasformatori di terra in olio.
I requisiti generali per le prove di riscaldamento devono seguire la IEC 60076-2:2011. Per i trasformatori in olio con raffreddamento ONAN o ONAF, i limiti tipici sono 60 K per l'innalzamento della temperatura dell'olio superiore e 65 K per l'innalzamento medio della temperatura degli avvolgimenti, salvo diversa specifica nelle specifiche di acquisto.
Trasformatore di terra/messa a terra a zigzag
2. Stati operativi e prove di riscaldamento
2.1 Trasformatori di terra con corrente di neutro continua nominale e un avvolgimento secondario
Trasformatore di messa a terra con avvolgimento secondario
Per questo tipo, l'acquirente specifica la corrente di neutro continua nominale in base allo spostamento previsto del punto di neutro e al metodo di messa a terra del neutro selezionato. Può essere previsto anche un avvolgimento secondario per l'alimentazione ausiliaria della sottostazione.
In normali condizioni di sistema, il trasformatore di terra può operare in:
- una condizione di carico trifase equilibrato, in cui il punto di neutro rimane vicino al potenziale di terra;
- una condizione di carico trifase squilibrato, in cui lo spostamento del punto di neutro produce una corrente continua di sequenza zero;
- una condizione di carico dell'avvolgimento secondario.
Sotto carico equilibrato, nell'avvolgimento primario scorre solo la corrente di eccitazione. Le perdite sono principalmente perdite nel nucleo e una piccolissima perdita in corrente continua dell'avvolgimento primario. L'innalzamento della temperatura dall'avvolgimento all'olio è quindi quasi nullo.
Quando si verifica uno spostamento del punto di neutro, una corrente continua di sequenza zero scorre attraverso l'avvolgimento primario del trasformatore di terra. Ciò produce perdite in corrente continua dell'avvolgimento e perdite parassite aggiuntive causate dal flusso di sequenza zero. Se l'avvolgimento secondario è sotto carico, devono essere considerate anche le perdite in corrente continua dell'avvolgimento secondario e le perdite di carico aggiuntive.
Poiché la condizione di carico equilibrato e la condizione di spostamento del neutro non si verificano simultaneamente, mentre la condizione di carico secondario può essere sovrapposta a entrambe, la prova di riscaldamento deve simulare la combinazione più severa.
Procedura di prova esemplificativa
Si consideri un trasformatore di terra in olio con i seguenti dati.
Dati tecnici esemplificativi di un trasformatore di terra in olio
| Parametro |
Valore |
| Gruppo vettoriale |
ZNyn11 |
| Corrente nominale |
3,5 / 288,7 A |
| Perdite a vuoto |
1.337 W |
| Perdite in carico a 75 °C basate su 200 kVA |
969 W |
| Perdite in CC dell'avvolgimento BT a 75 °C |
754 W |
| Corrente nominale continua del neutro |
70 A |
| Perdite alla corrente nominale continua del neutro a 75 °C |
4.930 W |
La prova di riscaldamento può essere eseguita come segue.
Fase 1 — Stadio di perdita totale massima
La perdita totale da applicare è:
Pmax = PkN(75 °C) + P0 + Pr(75 °C)
Pmax = 4,930 + 1,337 + 754 = 7,021 W
dove:
- PkN(75 °C) è la perdita prodotta dalla corrente nominale continua di neutro;
- P0 è la perdita a vuoto alla tensione e frequenza nominali;
- Pr(75 °C) è la perdita in corrente continua dell'avvolgimento BT alla corrente di carico secondaria nominale.
La perdita prodotta dalla corrente nominale continua di neutro deve essere basata su valori misurati. Prima della prova, l'avvolgimento secondario viene mantenuto in circuito aperto e la corrente nominale continua di neutro di 70 A viene applicata tra i terminali AT ABC e il punto di neutro O. La perdita misurata viene quindi corretta alla temperatura di riferimento di 75 °C.
Collegamento per la prova di riscaldamento del trasformatore di terra
Pr(75 °C) è la perdita in corrente continua dell'avvolgimento BT alla corrente secondaria nominale di 288,7 A. La corrente AT corrispondente al carico secondario di 200 kVA è di 3,5 A, che è già inclusa nei 70/3 A per fase. Pertanto, la perdita a pieno carico misurata in una prova di carico convenzionale non deve essere utilizzata direttamente, altrimenti la perdita in corrente continua AT verrebbe applicata due volte e il risultato del riscaldamento sarebbe sovrastimato.
Una volta determinata la perdita totale, il trasformatore viene eccitato secondo lo schema di cablaggio della prova. L'aumento di temperatura dell'olio in superficie e l'aumento medio di temperatura dell'olio sono ottenuti in conformità alla IEC 60076-2:2011.
Fase 2 — Riscaldamento dell'avvolgimento AT
La corrente per questa fase deve includere la corrente nominale continua di neutro e la corrente AT corrispondente alla capacità secondaria nominale. Per questo esempio, la corrente applicata è:
I = 3 × 3,5 + 70 = 80,5 A
Questa corrente viene mantenuta per un'ora. La resistenza a caldo dell'avvolgimento AT tra il terminale B e il neutro O viene misurata per determinare la differenza di temperatura tra l'avvolgimento AT e l'olio e, di conseguenza, l'aumento di temperatura dell'avvolgimento AT. Questo approccio segue il principio fornito nella IEC 60076-6:2007 per i trasformatori di terra con avvolgimento secondario.
Fase 3 — Riscaldamento dell'avvolgimento BT
Il trasformatore di terra viene quindi trattato in modo simile a un trasformatore di distribuzione per la prova dell'avvolgimento BT. L'avvolgimento BT viene cortocircuitato e una corrente trifase simmetrica di 3,5 A viene applicata al lato AT, corrispondente alla capacità secondaria nominale. La durata della prova è di un'ora.
Vengono misurate la resistenza a caldo dell'avvolgimento BT e la temperatura media dell'olio. La differenza di temperatura tra l'avvolgimento BT e l'olio viene calcolata e aggiunta all'aumento medio di temperatura dell'olio ottenuto nella Fase 1 per determinare l'aumento di temperatura dell'avvolgimento BT.
Trasformatore di terra senza avvolgimento secondario
2.2 Trasformatori di terra con corrente nominale continua di neutro ma senza avvolgimento secondario
Questo tipo copre la condizione di equilibrio e la condizione di spostamento del neutro. La prova di riscaldamento deve rappresentare la condizione di spostamento del neutro.
I parametri di prova sono:
- Fase di perdita totale massima: Pmax = PkN(75 °C) + P0
- Fase di corrente nominale: I = IN
2.3 Trasformatori di terra combinati con bobine di estinzione dell'arco
Per questo tipo, la bobina di estinzione dell'arco è integrata nel punto neutro del trasformatore. Il trasformatore di terra e la bobina di estinzione dell'arco devono essere provati insieme. Se la bobina di estinzione dell'arco è regolabile, la prova deve essere eseguita nella posizione che produce la perdita più elevata.
Combinazione di bobina di estinzione dell'arco e trasformatore di terra
I metodi per determinare la perdita totale massima e la corrente nominale sono gli stessi della Sezione 2.1. Le misurazioni della resistenza a caldo devono essere effettuate due volte:
- Tra un terminale di linea e il terminale di terra della bobina di estinzione dell'arco, solitamente BO;
- Tra due terminali di linea del trasformatore di terra, solitamente AC.
Queste misurazioni consentono di determinare separatamente le differenze di temperatura dell'avvolgimento principale del trasformatore di terra e dell'avvolgimento della bobina di estinzione dell'arco.
3. Conclusioni
Il riscaldamento è un indicatore chiave delle prestazioni per il funzionamento sicuro e la vita utile dei trasformatori di terra. Poiché i trasformatori di terra hanno strutture e modalità di funzionamento diverse, metodi di prova errati possono portare a risultati fuorvianti. Simulando le condizioni di funzionamento più severe in conformità con IEC 60076-6:2007 e IEC 60076-2:2011, i produttori possono ottenere dati di riscaldamento più affidabili per i trasformatori di terra immersi in olio.
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