Perché i trasformatori di messa a terra per la distribuzione utilizzano in misura schiacciante l'avvolgimento a zig-zag?

1. Impedenza di sequenza zero molto bassa per un efficiente percorso della corrente di sequenza zero

Questo è il principale vantaggio fisico dell'avvolgimento a zig-zag. Ogni avvolgimento di fase di un trasformatore a zig-zag è diviso in due metà, avvolte in direzioni opposte su due diverse colonne del nucleo. Quando si verifica un guasto monofase a terra, i flussi di sequenza zero nel nucleo si annullano a vicenda a causa del particolare collegamento inverso degli avvolgimenti, risultando in un'impedenza di sequenza zero estremamente bassa.

In confronto, il flusso di sequenza zero dei trasformatori convenzionali a Y o Δ può fluire solo attraverso il percorso del flusso di dispersione, risultando in un'impedenza di sequenza zero molto elevata. La caratteristica a bassa impedenza del collegamento a zig-zag assicura che la corrente di guasto possa fluire agevolmente, fornendo un segnale sufficiente per i relè di protezione.

Trasformatore di messa a terra del neutro trifase

2. Elevato utilizzo della capacità, superando il "limite del 20%" dei trasformatori convenzionali

Quando una bobina di compensazione o un resistore di messa a terra viene introdotto nella rete di distribuzione, il collegamento a zig-zag dimostra un'elevata efficienza economica. Se un trasformatore di distribuzione standard viene utilizzato come trasformatore di messa a terra per sostenere una bobina di compensazione, la capacità della bobina non deve superare il 20% della capacità del trasformatore. Al contrario, grazie al suo design a circuito magnetico autobilanciato, un trasformatore di messa a terra a zig-zag può sostenere la stragrande maggioranza della propria capacità come carico della bobina di compensazione.

Nella selezione ingegneristica pratica, la capacità nominale del lato primario di un trasformatore di messa a terra a zig-zag viene tipicamente scelta per essere leggermente superiore alla capacità della bobina di compensazione.

3. Nessun avvolgimento secondario richiesto, minimizzazione delle perdite a vuoto

Se il neutro primario di un trasformatore convenzionale è messo a terra, è richiesto un avvolgimento secondario (come un avvolgimento a triangolo) per fornire un percorso chiuso alla corrente di sequenza zero; altrimenti l'impedenza di magnetizzazione è estremamente elevata e la corrente di sequenza zero non può fluire. Un collegamento a zig-zag forma un percorso di sequenza zero senza richiedere un avvolgimento secondario.

Durante il normale funzionamento del sistema, il trasformatore di messa a terra a zig-zag si comporta come se fosse in stato di circuito aperto. Poiché la tensione del punto neutro è vicina allo zero, solo una corrente di magnetizzazione molto piccola fluisce attraverso gli avvolgimenti, risultando in perdite a vuoto estremamente basse. La corrente di guasto di sequenza zero fluisce solo durante la breve durata di un guasto monofase a terra (entro pochi secondi per il funzionamento della protezione di sequenza zero, o fino a 2 ore durante la compensazione con bobina di compensazione).

4. Soppressione della terza armonica, miglioramento della forma d'onda della tensione

I carichi non lineari come i raddrizzatori e gli azionamenti a frequenza variabile generano correnti armoniche di terzo ordine sostanziali. Nei convenzionali sistemi trifase a quattro fili, le correnti armoniche di terzo ordine si accumulano nel conduttore di neutro, causando una corrente di neutro eccessiva e un grave surriscaldamento. Il collegamento a zig-zag presenta una bassa impedenza alle correnti armoniche di terzo ordine, consentendo loro di circolare all'interno degli avvolgimenti e di annullarsi a vicenda, riducendo così efficacemente il contenuto armonico nella tensione di fase e nella corrente di neutro.

5. Bilanciamento del circuito magnetico, prevenzione della saturazione profonda del nucleo

In un sistema a neutro isolato durante un guasto monofase a terra, la tensione fase-terra delle fasi sane sale alla tensione concatenata (ovvero, un aumento di sqrt(3) volte). Per un trasformatore convenzionale con nucleo a tre colonne, questo spostamento di tensione può facilmente causare una profonda saturazione del nucleo, potenzialmente danneggiando il trasformatore nei casi più gravi. In un collegamento a zig-zag, ogni avvolgimento di fase è distribuito su due colonne del nucleo e le forze magnetomotrici durante i guasti raggiungono l'autobilanciamento attraverso l'accoppiamento incrociato, prevenendo efficacemente la saturazione del nucleo e garantendo la stabilità termica durante il periodo di guasto monofase.

Sommario

L'uso di trasformatori di messa a terra zig-zag nelle reti di distribuzione è essenzialmente un mezzo per creare un punto neutro artificiale a bassa impedenza senza alterare la struttura originale della rete. Risolve le seguenti sfide ingegneristiche:

• Durante il funzionamento normale: la tensione del punto neutro è vicina allo zero, le perdite a vuoto sono minime e l'equilibrio della tensione trifase non è influenzato.
• Durante un guasto: un'impedenza di sequenza zero molto bassa fornisce un percorso definito per la corrente di guasto, garantendo la compensazione della bobina di soppressione dell'arco o il funzionamento del relè di protezione.
• Economia e sicurezza: supera il limite di capacità del 20% dei trasformatori convenzionali e offre una forte capacità anti-saturazione, rendendolo la scelta standard e ottimale per stabilire punti neutri artificiali nelle reti di distribuzione a 6 kV, 10 kV e 35 kV.

Modificato da: Echo