I trasformatori di messa a terra in secco sono ampiamente progettati con collegamento a zig-zag, poiché questa struttura degli avvolgimenti offre un'elevata impedenza di eccitazione alle correnti di sequenza positiva e negativa durante il funzionamento normale, fornendo al contempo una bassa impedenza alle correnti di sequenza zero durante i guasti monofase a terra.
Ciò rende possibile creare un punto neutro artificiale e offrire un percorso affidabile per la corrente di sequenza zero nelle reti di distribuzione in media tensione.
Rispetto ai trasformatori ordinari con collegamento a stella o a triangolo, i trasformatori di messa a terra a zig-zag sono più adatti per le applicazioni di messa a terra nelle reti MT, negli impianti eolici e solari, nei sistemi di distribuzione industriale e nei data center.
1. Qual è la funzione di un trasformatore di messa a terra?
In molte reti in media tensione, il lato secondario del trasformatore principale è collegato a triangolo, oppure il punto neutro non è direttamente accessibile. In questi casi, non esiste un punto neutro naturale per collegare una bobina di compensazione, un resistore di messa a terra del neutro o apparecchiature di protezione di sequenza zero.
Un trasformatore di messa a terra viene utilizzato per:
- Creare un punto neutro artificiale N;
- Collegare una bobina di compensazione, un resistore di messa a terra del neutro o un reattore;
- Fornire un percorso di ritorno per la corrente di sequenza zero durante i guasti a terra;
- Limitare le sovratensioni indotte dall'arco e migliorare la sensibilità della protezione di sequenza zero;
- Opzionalmente, fornire alimentazione ausiliaria tramite un avvolgimento secondario.
I trasformatori di messa a terra in secco adottano solitamente isolamento in resina colata o impregnata. Sono privi di olio, resistenti al fuoco e adatti per sottostazioni interne, sale di manovra e impianti di energia rinnovabile.
2. Struttura dell'avvolgimento a zig-zag
L'avvolgimento a zig-zag, chiamato anche avvolgimento a zig-zag o a serpentina, è formato dividendo l'avvolgimento di ogni fase in due parti uguali. Queste due parti sono avvolte su diverse colonne del nucleo e collegate con polarità opposta.
Caratteristiche principali:
- Ogni fase ha due sezioni di avvolgimento con lo stesso numero di spire;
- Le due sezioni sono posizionate su diverse colonne del nucleo;
- Gli avvolgimenti sono collegati in modo incrociato con polarità opposta;
- Le estremità degli avvolgimenti trifase sono unite per formare il punto neutro N;
- Le estremità di linea sono collegate alle fasi A, B e C.
In questo modo, la tensione di ogni fase non è supportata da un singolo avvolgimento su una colonna del nucleo, ma da due avvolgimenti situati su colonne diverse. Questo crea la tipica relazione fasoriale "a zig-zag".
3. Principio di funzionamento
Funzionamento normale
Sotto una tensione trifase equilibrata, solo le correnti di sequenza positiva e negativa fluiscono attraverso il trasformatore di messa a terra. A causa della struttura degli avvolgimenti collegati in modo incrociato, il trasformatore presenta un'elevata impedenza di eccitazione.
Pertanto, durante il funzionamento normale:
- Fluiscono solo la corrente di eccitazione e piccole perdite;
- Il trasformatore opera quasi a vuoto;
- L'impatto sul normale funzionamento trifase è minimo;
- Le perdite di rete aggiuntive sono molto basse.
Guasto monofase a terra
Quando si verifica un guasto monofase a terra, compaiono la tensione di sequenza zero e la corrente di sequenza zero. La corrente di sequenza zero ritorna attraverso la terra e fluisce nel punto neutro del trasformatore di messa a terra.
In un avvolgimento a zig-zag, le correnti di sequenza zero nelle tre fasi sono in fase. A causa del collegamento incrociato, le ampere-spire di sequenza zero sulla stessa colonna del nucleo si annullano a vicenda. Di conseguenza, il flusso di eccitazione di sequenza zero è molto piccolo e l'impedenza di sequenza zero è determinata principalmente dalla reattanza di dispersione.
Ciò conferisce al trasformatore di messa a terra un'impedenza di sequenza zero relativamente bassa, consentendo alla corrente di sequenza zero di fluire in modo affidabile attraverso il punto neutro e il dispositivo di messa a terra.
Va notato che l'impedenza di sequenza zero non è zero. Un trasformatore di messa a terra a zig-zag viene utilizzato principalmente per fornire un punto neutro artificiale e trasportare la corrente di sequenza zero, non per trasmettere potenza attiva.
4. Perché il collegamento a zig-zag è preferito
Bassa impedenza di sequenza zero
I trasformatori di messa a terra a zig-zag forniscono un percorso stabile per la corrente di guasto a terra. Se utilizzati con resistori di messa a terra del neutro, aiutano la protezione di sequenza zero a operare in modo rapido e selettivo. Se utilizzati con bobine di compensazione, supportano la compensazione della corrente capacitiva e l'estinzione dell'arco.
Basse perdite normali
Poiché il trasformatore opera quasi a vuoto in condizioni normali, la corrente di eccitazione e le perdite nel nucleo rimangono basse. Ciò rende tecnicamente ragionevole il collegamento a lungo termine alla rete.
Migliore utilizzo della capacità della bobina di compensazione
I trasformatori ordinari possono essere limitati dall'impedenza di sequenza zero, dalle perdite aggiuntive e dall'aumento di temperatura quando utilizzati per scopi di messa a terra. Un trasformatore di messa a terra a zig-zag, se progettato in conformità con gli standard applicabili e verificato per l'aumento di temperatura e la durata del guasto, può sopportare un carico corrispondente alla potenza nominale della bobina di compensazione o del resistore di messa a terra collegato.
Avvolgimento ausiliario opzionale
Molti trasformatori di messa a terra a zig-zag in secco sono progettati con collegamenti ZNyn o ZNyn11. Il lato ad alta tensione utilizza il collegamento a zig-zag per creare il punto neutro, mentre il lato a bassa tensione fornisce un avvolgimento secondario collegato a stella per l'alimentazione ausiliaria. Il gruppo di collegamento esatto deve seguire la progettazione del prodotto e gli standard applicabili.
Adatto per applicazioni interne e di energia rinnovabile
La costruzione in secco evita l'olio isolante, riduce il rischio di incendio e semplifica l'installazione e la manutenzione. Ciò lo rende adatto per sottostazioni interne, cabine di distribuzione, parchi eolici, impianti fotovoltaici e strutture industriali.
5. Confronto con i trasformatori ordinari
| Voce |
Trasformatore di messa a terra a zig-zag |
Trasformatore Y/Δ ordinario |
| Funzione principale |
Creare un punto neutro artificiale, trasportare la corrente di sequenza zero |
Trasformare la tensione, trasmettere la potenza |
| Funzionamento normale |
Quasi a vuoto |
Solitamente carico |
| Impedenza di sequenza zero |
Relativamente bassa |
Dipende dalla struttura del nucleo e dal collegamento |
| Applicazione della bobina di soppressione dell'arco |
Adatto in condizioni nominali |
Spesso limitato |
| Disponibilità del punto neutro |
Sì |
Dipende dal collegamento del sistema |
I normali trasformatori a tre colonne privi di un avvolgimento di stabilizzazione collegato a triangolo o di un percorso dedicato per il flusso di sequenza zero hanno generalmente una capacità di corrente di sequenza zero limitata e non dovrebbero essere semplicemente sostituiti da un trasformatore di messa a terra Zig-Zag senza un'accurata verifica.
6. Riepilogo
Un trasformatore di messa a terra di tipo a secco a collegamento Zig-Zag fornisce un punto neutro artificiale per i sistemi in media tensione. Funziona quasi a vuoto in condizioni normali e offre una bassa impedenza di sequenza zero durante i guasti a terra, supportando le bobine di estinzione dell'arco, i resistori di messa a terra del neutro e la protezione di sequenza zero. I collegamenti tipici includono ZNyn e ZNyn11, con avvolgimenti ausiliari opzionali.
Per i progetti internazionali, vengono comunemente utilizzati i seguenti termini:
- Collegamento Zig-Zag / Avvolgimento Zig-Zag
- Trasformatore di messa a terra / Trasformatore di terra
- Impedenza di sequenza zero
- Punto neutro artificiale
- Bobina di estinzione dell'arco / Bobina di Petersen
- Resistore di messa a terra del neutro
Va notato che un trasformatore di messa a terra Zig-Zag non è un trasformatore di potenza convenzionale. La sua capacità deve essere determinata in base alla corrente capacitiva del sistema, alla potenza nominale della bobina di estinzione dell'arco, al valore del resistore di messa a terra del neutro, alla durata del guasto, ai limiti di aumento della temperatura e alla necessità o meno di un carico secondario.
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