Un trasformatore di messa a terra a zig-zag, chiamato anche trasformatore di messa a terra a zig-zag o trasformatore di messa a terra del neutro, è un trasformatore per usi speciali utilizzato nei sistemi di potenza in media tensione. La sua funzione principale non è trasformare la tensione o trasferire potenza di carico, ma creare un punto neutro stabile per i sistemi che ne sono privi o in cui il punto neutro non è facilmente accessibile.
Questo punto neutro può quindi essere collegato a una bobina di estinzione dell'arco, resistore di messa a terra del neutro o piccola reattanza per supportare la messa a terra del sistema, il controllo della corrente di guasto e il coordinamento delle protezioni.
Produttore di trasformatori di messa a terra a zig-zag immersi in olio IEC
Perché è necessario un trasformatore di messa a terra?
Nelle reti di distribuzione in media tensione da 6 kV, 10 kV, 35 kV e simili, il lato in bassa tensione del trasformatore principale è spesso collegato a triangolo, oppure il punto stella non è portato all'esterno. Di conseguenza, il sistema non dispone di un punto neutro disponibile per la messa a terra durante il normale funzionamento.
Tuttavia, un punto neutro è comunque necessario per diversi motivi:
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Limitazione delle sovratensioni da arco a terra
Durante un guasto a terra monofase, elevate correnti capacitive possono causare archi intermittenti nel punto di guasto. Ciò può generare alte sovratensioni che minacciano cavi, quadri di distribuzione, trasformatori di misura e altre apparecchiature.
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Fornitura di un percorso per la corrente di sequenza zero
I guasti a terra producono corrente di sequenza zero. Senza un punto neutro, non esiste un percorso di ritorno stabile e la protezione di sequenza zero potrebbe non operare in modo sensibile.
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Supporto per bobine di compensazione o messa a terra a bassa resistenza
Quando collegato tramite una bobina di compensazione dell'arco, il sistema può compensare la corrente capacitiva di guasto a terra. Quando collegato tramite un resistore di messa a terra del neutro, la corrente di guasto può essere limitata garantendo al contempo il funzionamento affidabile della protezione di sequenza zero.
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Miglioramento dell'affidabilità dell'alimentazione
Molti sistemi in media tensione consentono un funzionamento di breve durata durante un guasto a terra monofase. Un sistema di messa a terra del neutro correttamente progettato aiuta a mantenere stabili le tensioni di sistema fino alla risoluzione del guasto.
Pertanto, quando il sistema elettrico non fornisce un punto neutro, si utilizza un trasformatore di messa a terra per crearne uno.
Struttura di un trasformatore di messa a terra a zig-zag
Un trasformatore di messa a terra a zig-zag ha solitamente una costruzione a nucleo simile a quella di un convenzionale trasformatore trifase, ma il suo collegamento degli avvolgimenti è diverso.
Ogni avvolgimento di fase è diviso in due metà uguali con direzioni opposte. Queste metà sono avvolte su diverse colonne del nucleo e quindi collegate in serie in una disposizione a zig-zag. Il punto comune delle tre fasi è portato all'esterno come punto neutro N.
Ad esempio, la fase A non è avvolta solo sulla colonna del nucleo della fase A. Parte del suo avvolgimento è collegata con un'altra fase, come la fase B o la fase C. Dopo l'incrocio dei collegamenti, gli avvolgimenti formano uno schema a zig-zag.
I gruppi vettoriali comuni includono:
- ZN: lato AT con collegamento a zig-zag e neutro portato all'esterno;
- ZNyn1 / ZNyn11: lato AT con collegamento a zig-zag e lato BT con avvolgimento secondario collegato a stella, che può fungere anche da trasformatore per servizi ausiliari di stazione.
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Come Funziona un Trasformatore di Messa a Terra Zig-Zag?
La caratteristica chiave di un trasformatore di messa a terra zig-zag è che presenta un'elevata impedenza alle correnti di sequenza positiva e negativa, ma una bassa impedenza alle correnti di sequenza zero.
1. In condizioni normali: funzionamento quasi a vuoto
Quando le tensioni del sistema trifase sono bilanciate, attraverso il trasformatore di messa a terra fluisce solo una piccola corrente di eccitazione. L'avvolgimento zig-zag presenta un'elevata impedenza di eccitazione alle tensioni di sequenza positiva e negativa, pertanto le perdite normali sono molto basse e il trasformatore non assorbe quasi alcuna potenza attiva.
2. Durante un guasto a terra monofase: percorso a bassa impedenza per la corrente di guasto
Quando si verifica un guasto a terra monofase, compaiono la tensione di sequenza zero e la corrente di sequenza zero. La corrente di sequenza zero fluisce dal punto neutro negli avvolgimenti trifase. Le correnti di sequenza zero in tutte e tre le fasi sono uguali in modulo e identiche in fase.
Poiché i due semiavvolgimenti sullo stesso nucleo della colonna hanno direzioni opposte e polarità opposta, le loro forze magnetomotrici di sequenza zero si annullano a vicenda. Il flusso risultante di sequenza zero è pertanto molto piccolo.
Di conseguenza, l'impedenza di sequenza zero è determinata principalmente dalla reattanza di dispersione e rimane relativamente bassa. Il valore esatto dipende dal livello di tensione del sistema, dal progetto degli avvolgimenti, dai dettagli di fabbricazione e dai requisiti del progetto.
Ciò fornisce un percorso a bassa impedenza per la corrente di sequenza zero, consentendo alla corrente di guasto di fluire agevolmente attraverso il punto neutro nel dispositivo di messa a terra.
Perché la Connessione Zig-Zag è Preferita per i Trasformatori di Messa a Terra?
I trasformatori di messa a terra non sono limitati alla connessione zig-zag, ma la disposizione zig-zag offre chiari vantaggi nelle applicazioni di messa a terra in media tensione.
1. Bassa impedenza di sequenza zero
L'avvolgimento zig-zag consente alle forze magnetomotrici di sequenza zero di annullarsi su ciascuna colonna del nucleo, risultando in una bassa impedenza di sequenza zero e in un flusso agevole della corrente di guasto a terra.
2. Basse perdite di funzionamento normale
In condizioni bilanciate, il trasformatore assorbe solo una piccola corrente di eccitazione e funziona vicino alle condizioni di vuoto, mantenendo basse le perdite a vuoto.
3. Buona compatibilità con le bobine di estinzione dell'arco e i resistori di messa a terra del neutro
Per la messa a terra con bobina di estinzione dell'arco, il trasformatore zig-zag consente alla corrente di compensazione di fluire liberamente, consentendo un elevato utilizzo della capacità della bobina.
Per la messa a terra a bassa resistenza, fornisce una corrente di sequenza zero sufficiente per un funzionamento sensibile e affidabile della protezione.
Per confronto, quando si utilizza un trasformatore convenzionale YNyn per collegare una bobina di estinzione dell'arco, la capacità della bobina è solitamente limitata a una piccola percentuale della potenza nominale del trasformatore. Con i trasformatori YNd, l'utilizzo è inoltre limitato dal carico secondario e dalle perdite aggiuntive.
4. Può anche fungere da trasformatore per i servizi ausiliari di stazione
Molti trasformatori di messa a terra zig-zag sono dotati di un avvolgimento secondario a bassa tensione, formando una connessione ZNyn. Ciò consente all'unità di fornire sia un punto di messa a terra del neutro che un'alimentazione ausiliaria a 380/220 V per la sottostazione, riducendo i requisiti di investimento e di spazio.
5. Una certa soppressione delle componenti di terza armonica
La connessione zig-zag può aiutare a sopprimere la terza armonica e altre componenti armoniche di sequenza zero, migliorando la qualità della forma d'onda della tensione. Tuttavia, questo è solitamente un vantaggio secondario piuttosto che il motivo principale della scelta.
Trasformatore di Messa a Terra Zig-Zag rispetto al Trasformatore Convenzionale
| Voce di confronto |
Trasformatore di messa a terra a zig-zag |
Trasformatore convenzionale |
| Scopo principale |
Fornire un punto neutro artificiale e supportare la protezione di messa a terra |
Trasformare la tensione e trasferire la potenza |
| Struttura degli avvolgimenti |
Ogni fase suddivisa in due parti con collegamento a zig-zag |
Collegamento standard a Y, Δ o YN |
| Punto neutro |
Ricavato specificamente per la messa a terra |
Può essere assente o non utilizzato per la messa a terra |
| Impedenza di sequenza zero |
Bassa, adatta alla corrente di sequenza zero |
Più alta, limita la corrente di sequenza zero |
| Condizioni di esercizio |
Quasi a vuoto in condizioni normali; sopporta corrente di guasto di breve durata |
Caricato continuamente durante il normale funzionamento |
| Applicazione tipica |
Messa a terra in media tensione, bobine di compensazione, resistori di messa a terra del neutro |
Trasformatori principali e trasformatori di distribuzione |
Trasformatore di messa a terra immerso in olio di tipo Z OEM Cina
Applicazioni Tipiche
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Reti di distribuzione a 10 kV e 35 kV
Utilizzate quando il lato in bassa tensione del trasformatore principale è collegato a triangolo o quando il neutro di sistema non è disponibile.
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Sistemi di messa a terra con bobina di compensazione
Utilizzati per compensare la corrente capacitiva di guasto a terra, estinguere i guasti ad arco e limitare le sovratensioni transitorie.
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Sistemi di messa a terra a bassa resistenza
Utilizzati per limitare la corrente di guasto a terra garantendo al contempo il funzionamento affidabile della protezione a sequenza zero.
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Impianti di energia rinnovabile, reti industriali e data center
Utilizzati in sistemi interfacciati con inverter, reti collegate a triangolo o sistemi di alimentazione isolati per fornire un punto di messa a terra stabile e migliorare le prestazioni relative alla tensione squilibrata e alla protezione.
Considerazioni sulla Selezione e sul Funzionamento
- Abbinare il livello di tensione di sistema, come 6 kV, 10 kV o 35 kV, alla tensione nominale di sistema.
- Progettare con attenzione l'impedenza di sequenza zero. Un valore troppo basso può aumentare eccessivamente la corrente di guasto; un valore troppo alto può ridurre la sensibilità della protezione. Deve essere coordinato con il resistore di messa a terra del neutro o la bobina di compensazione.
- Selezionare la capacità in modo appropriato. Quando utilizzato solo per la messa a terra, il valore nominale primario deve corrispondere alla bobina di compensazione o al resistore di messa a terra del neutro. Quando è collegata solo una bobina di compensazione, la capacità primaria viene comunemente selezionata a 1,05-1,15 volte il valore nominale della bobina come prassi ingegneristica. Se viene alimentato anche un carico secondario, deve essere aggiunto il carico dei servizi ausiliari della stazione.
- Verificare la capacità termica di breve durata. Il trasformatore opera quasi a vuoto in condizioni normali, ma deve resistere alla corrente di guasto a terra di breve durata.
- Confermare il gruppo vettoriale, come ZN, ZNyn1 o ZNyn11, in base ai requisiti di protezione, misurazione e alimentazione ausiliaria.
- Verificare se sia effettivamente necessario un trasformatore di messa a terra. Se il trasformatore principale dispone già di un punto neutro accessibile, ad esempio in alcuni sistemi collegati a YN a 35 kV o 110 kV, potrebbe non essere necessario un trasformatore di messa a terra separato.
Relazione con le Norme IEC
Nel quadro normativo IEC, i trasformatori di messa a terra zig-zag sono generalmente progettati e collaudati secondo i requisiti generali per i trasformatori di potenza della serie IEC 60076. La IEC 60076-25 riguarda principalmente i resistori di messa a terra del neutro e ne riconosce esplicitamente l'uso congiunto con trasformatori zig-zag, trasformatori a triangolo aperto e bobine di compensazione.
In pratica, i trasformatori di messa a terra zig-zag sono specificati e verificati in base all'impedenza di sequenza zero richiesta, alla corrente di guasto di breve durata, alla tensione nominale, al metodo di raffreddamento, al livello di isolamento e al programma di prova. La conformità a qualsiasi progetto specifico deve essere sempre confermata rispetto alle specifiche tecniche contrattuali, all'edizione applicabile della norma e ai rapporti di prova di terze parti.
Riepilogo
Un trasformatore di messa a terra zig-zag è un trasformatore speciale che crea un punto neutro artificiale attraverso una configurazione degli avvolgimenti a zig-zag. È ampiamente utilizzato perché presenta un'elevata impedenza in condizioni normali di equilibrio, risultando in basse perdite, fornendo al contempo una bassa impedenza alla corrente di sequenza zero durante i guasti a terra monofase. Ciò lo rende particolarmente adatto per bobine di compensazione, resistori di messa a terra del neutro e schemi di protezione a sequenza zero.
Rispetto ai trasformatori convenzionali, i trasformatori di messa a terra zig-zag offrono chiari vantaggi nelle reti di distribuzione in media tensione, in particolare per il controllo della corrente di guasto a terra, la messa a terra del sistema e il miglioramento dell'affidabilità.
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