Cos'è un trasformatore di messa a terra?
Un trasformatore di messa a terra (spesso chiamato "banco di messa a terra") è progettato per fornire un punto neutro artificiale ai sistemi di potenza che ne sono privi. Ciò consente il collegamento di bobine di compensazione (bobine Petersen) o la messa a terra a bassa resistenza. Il suo scopo principale è limitare le correnti capacitive durante i guasti a terra, migliorando così l'affidabilità della rete di distribuzione.
I trasformatori di messa a terra sono classificati in base al loro mezzo isolante (immersi in olio o in secco) e alla configurazione di fase (monofase o trifase).
La sfida nei sistemi a neutro isolato
Nelle reti a 6 kV, 10 kV e 35 kV, il punto neutro è spesso non messo a terra. Poiché il lato in bassa tensione dei trasformatori principali è tipicamente collegato a triangolo, non è disponibile alcun punto neutro fisico per la messa a terra.
Sebbene i sistemi a neutro isolato possano tollerare un guasto a terra monofase per 1-2 ore, le moderne reti urbane con un'estesa cablatura hanno visto un aumento significativo delle correnti capacitive. Quando queste correnti superano i 10 A, sorgono diversi rischi:
- Arco intermittente: Ciò può causare sovratensioni che raggiungono fino a 4 volte la tensione di picco normale, minacciando l'isolamento delle apparecchiature.
- Risonanza: Può innescare la ferrorisonanza, potenzialmente danneggiando i trasformatori di tensione e gli scaricatori di sovratensione.
- Cortocircuiti fase-fase: L'arco elettrico può ionizzare l'aria circostante, portando a cortocircuiti più gravi.
Per mitigare questi rischi, è necessario un punto neutro artificiale per collegare i dispositivi di compensazione.
Utilizzo globale e collegamento a Z
- In Cina: I trasformatori di messa a terra utilizzano tipicamente un collegamento Zig-Zag (Z). Per risparmiare spazio e investimenti, viene spesso aggiunto un avvolgimento terziario per alimentare i servizi ausiliari della sottostazione.
- A livello internazionale: I trasformatori con collegamento a Z sono inoltre ampiamente utilizzati nei sistemi non messi a terra a 10kV. Presentano un'impedenza elevata per le correnti di sequenza positiva e negativa, ma un'impedenza bassa per le correnti di sequenza zero, garantendo un funzionamento affidabile della protezione di terra.
Unità trifase vs. monofase
- Trifase (collegamento a Z): A differenza dei trasformatori standard, ogni avvolgimento di fase è diviso in due gruppi avvolti in direzioni opposte su diverse gambe del nucleo. Ciò consente al flusso di sequenza zero di fluire attraverso le gambe del nucleo, risultando in un'impedenza di sequenza zero molto bassa (circa 10Ω). Di conseguenza, un trasformatore con collegamento a Z può sostenere una bobina di soppressione dell'arco con una capacità pari al 90%–100% della sua potenza nominale.
- Monofase: Questi sono utilizzati principalmente per creare un punto neutro per gli armadietti dei resistori di messa a terra del neutro di generatori o trasformatori, aiutando a ridurre le dimensioni e il costo del pacchetto di resistori.
Caratteristiche operative chiave
- Bassa impedenza di sequenza zero: Garantisce un'efficace erogazione della corrente di sequenza zero.
- Elevata impedenza di eccitazione: Riduce al minimo la corrente a vuoto.
- Basse perdite a vuoto: Migliora l'efficienza energetica durante il funzionamento quotidiano.
Confronto dei metodi di collegamento
- Collegamento YNyn:
Utilizza un nucleo a tre gambe. Tuttavia, il flusso di sequenza zero non può circolare all'interno del nucleo e deve passare attraverso la vasca e i morsetti, causando surriscaldamenti locali. I regolamenti limitano rigorosamente la bobina di soppressione dell'arco collegata al 20% della potenza nominale del trasformatore.
- Collegamento YNd:
Il secondario a triangolo fornisce un percorso per le correnti di sequenza zero, riducendo l'impedenza. Tuttavia, è difficile alimentare carichi misti di illuminazione e potenza da un avvolgimento a triangolo. La capacità per la bobina di soppressione dell'arco è limitata al 50% se il secondario è a pieno carico.
- Connessione ZNyn (Lo Standard del Settore):
Questa è la configurazione più comune a livello globale. La connessione a zig-zag annulla le forze magnetomotrici di sequenza zero sulla stessa colonna del nucleo, risultando in un flusso di dispersione minimo e un'impedenza molto bassa.
Capacità: Può supportare una bobina di soppressione dell'arco pari alla propria potenza nominale.
Alimentazione Ausiliaria: Il yn secondario consente di alimentare carichi locali o servizi di stazione (tipicamente 80-200 kVA).
Nota di Progettazione: A causa della disposizione vettoriale, una connessione a Z richiede circa 1,15-1,16 volte più spire rispetto a una connessione a stella standard per la stessa tensione.
Principio di Funzionamento
Durante un guasto a terra monofase (ad esempio, Fase C), la corrente di guasto fluisce attraverso la terra verso il punto neutro. Successivamente, si divide equamente nelle tre fasi del trasformatore di messa a terra.
Poiché le correnti nei due avvolgimenti sulla stessa colonna del nucleo sono uguali e opposte, le loro forze magnetiche si annullano a vicenda. Ciò si traduce in un'impedenza di sequenza zero estremamente bassa (tipicamente 6-10Ω, rispetto ai 600Ω di una connessione a stella). Questa bassa impedenza consente alla corrente di compensazione di fluire liberamente mantenendo le tensioni di linea simmetriche, garantendo che il sistema rimanga sicuro e stabile.
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