Mètodes de cablejat i paràmetres dels transformadors de terra
Configuracions de bobinat dels transformadors de terra
Els transformadors de terra es classifiquen per la connexió dels seus enrotllaments en dos tipus: ZNyn (zigzag) o YNd. Els seus punts neutres poden connectar-se a una bobina supressora d'arc o a una resistència de terra. Actualment, el transformador de terra zigzag (tipus Z) connectat via una bobina supressora d'arc o una resistència de baix valor és més comú.
1. Transformador de terra de tipus Z
Els transformadors de terra de tipus Z estan disponibles en versions amb aïllament immers en oli i aïllament sec. Dins d'aquest últim, el fonduït de resina és un tipus d'aïllament sec. Estructuralment, és similar a un transformador de potència trifàsic convencional, excepte que en cada patra de fase, l'enrotllament es divideix en dues seccions d'igual nombre de voltants—superior i inferior. La fi d'una secció es connecta en sèrie amb inversió de polaritat amb la fi d'un altre enrotllament de fase.
Les dues seccions d'enrotllament tenen polaritats oposades, formant una nova fase en configuració zigzag. Les terminacions inicials dels enrotllaments superiors—U1, V1, W1—es porten fora i es connecten a les línies d' alimentació AC trifàsiques A, B i C, respectivament. Les terminacions inicials dels enrotllaments inferiors—U2, V2, W2—es connecten juntes per formar el punt neutre, que després es connecta a una resistència de terra o a una bobina supressora d'arc, com es mostra a la figura. Depenent del mètode de connexió específic, els transformadors de terra de tipus Z es categoritzen més endavant en configuracions ZNvn1 i ZNyn11.
Els transformadors de terra de tipus Z també poden estar equipats amb un enrotllament de baixa tensió, típicament connectat en estrella amb un punt neutre a terra (yn), permetent-los servir com a transformadors de subestació.
2. Transformador de terra de tipus Z
Avantatges de la connexió zigzag dels transformadors de tipus Z:
En cas de curtcircuït monofàsic, la corrent de terra de fallada es distribueix aproximadament de manera uniforme entre els tres enrotllaments de fase. Les forces electromagnètiques (FEM) dels dos enrotllaments en cada patra de nucli són en direcció oposada, de manera que no hi ha cap efecte d'amortització, permetent que la corrent flueixi lliurement des del punt neutre a la línia fallada.
No hi ha component harmònic de tercera en la tensió de fase, ja que, en un banc de transformadors trifàsics zigzag, els harmònics de tercera tenen magnitud i direcció idèntiques com vectors. Degut a l'arranjament de l'enrotllament, les forces electromotrius harmòniques de tercera en cada fase es cancel·len mútuament, resultant en una tensió de fase gairebé sinusoidal.
En un transformador de terra de tipus Z, les corrents de seqüència zero en els dos meiten-enrotllaments al mateix patra de nucli fluixen en direcció oposada; per tant, la reactància de seqüència zero és molt baixa, i no satura la corrent de seqüència zero. El principi darrera la seva baixa impedància de seqüència zero és el següent: en cada un dels tres pates del nucli del transformador de terra, hi ha dos enrotllaments amb igual nombre de voltants, cadascun connectat a diferents tensions de fase.
Quan es aplicaven tensions trifàsiques de seqüència positiva o negativa equilibrades als terminals de línia del transformador de terra, la FEM en cada patra de nucli és la suma vectorial de les FEM dels dos enrotllaments connectats a diferents fases. Les FEM resultant en cada patra de nucli estan desplaçades 120°, formant un conjunt trifàsic equilibrat. La FEM monofàsica pot establir un circuit magnètic a través de tots tres pates de nucli, resultant en una reluctància magnètica baixa, un flux magnètic gran, una FEM induïda alta, i per tant una impedància de magnetització molt alta.
No obstant això, quan es té una tensió de seqüència zero aplicada als terminals de línia trifàsica, les FEM produïdes pels dos enrotllaments en cada patra de nucli són iguals en magnitud però en direcció oposada, resultant en una FEM neta zero per patra—per tant, no hi ha FEM de seqüència zero en els tres pates de nucli. La FEM de seqüència zero només pot completar el seu camí a través del dipòsit i el medi envoltant, que presenta una reluctància magnètica molt alta; en conseqüència, la FEM de seqüència zero és molt petita, conduint a una impedància de seqüència zero molt baixa.
3. Paràmetres del transformador de terra
Per complir amb els requisits de les xarxes de distribució que utilitzen la compensació de terra amb bobines supressores d'arc, així com satisfacer les necessitats de les càrregues de subestació per a energia i il·luminació, s'escullen els transformadors connectats en Z, i els paràmetres clau del transformador de terra han de ser establerts de manera raonable.
3.1 Capacitat nominal
La capacitat del costat primari del transformador de terra hauria de coincidir amb la capacitat de la bobina supressora d'arc. Basant-nos en les capacitats normals de la bobina supressora d'arc, es recomana que la capacitat del transformador de terra s'estableixi entre 1,05–1,15 vegades la capacitat de la bobina supressora d'arc. Per exemple, una bobina supressora d'arc de 200 kVA es combinaría amb un transformador de terra de 215 kVA.
3.2 Corrent de compensació del punt neutre
La corrent total que passa pel punt neutre del transformador durant una fallada monofàsica
En la fórmula anterior:
U és la tensió de línia de la xarxa de distribució (V);
Zx és la impedància de la bobina supressora d'arc (Ω);
Zd és la impedància de seqüència zero primària del transformador de terra (Ω/fase);
Zs és la impedància del sistema (Ω).
La durada de la corrent de compensació del punt neutre hauria de ser la mateixa que el temps continu d'operació de la bobina supressora d'arc, que es especifica com 2 hores.
3.3 Impedància de seqüència zero
L'impedància de seqüència zero és un paràmetre crític del transformador de terra i afecta significativament la configuració de proteccions per limitar les corrents de fallida en una fase i suprimir sobretensions. Per als transformadors de terra zigzag (tipus Z) sense bobina secundària, així com els que tenen connexions estrella/triangular obert, només hi ha una impedància, és a dir, l'impedància de seqüència zero, que permet als fabricants complir amb els requisits de les companyies elèctriques.
3.4 Pèrdues
Les pèrdues són un paràmetre de rendiment important dels transformadors de terra. Per als transformadors de terra dotats d'una bobina secundària, la pèrdua sense càrrega pot ser equivalent a la d'un transformador de dues bobines amb la mateixa capacitat. En què es refereix a les pèrdues de càrrega, quan el costat secundari opera a plena càrrega, el costat primari porta una càrrega relativament lleugera; per tant, la seva pèrdua de càrrega és inferior a la d'un transformador de dues bobines amb la mateixa capacitat al costat secundari.
3.5 Augment de temperatura
Segons les normes nacionals, l'augment de temperatura dels transformadors de terra es regula de la següent manera:
L'augment de temperatura sota la corrent contínua de ràtting hauria de complir amb les disposicions de la norma nacional per a transformadors de potència generals o de tipus sec. Això es refereix principalment als transformadors de terra on el costat secundari està sovint carregat.
Quan la corrent de càrrega breu dura no més de 10 segons (un escenari típic quan el punt neutre està connectat a una resistència), l'augment de temperatura hauria de conformar-se amb els límits especificats en la norma nacional per a transformadors de potència en condicions de curcuit tancat.
Quan el transformador de terra funciona junta amb un coil d'extinció d'arc, l'augment de temperatura hauria de complir amb els requisits d'augment de temperatura per al coil d'extinció d'arc:
Per a les bobines que porten continuament la corrent de ràtting, l'augment de temperatura està limitat a 80 K. Això es refereix principalment als transformadors de terra connectats en estrella/triangular obert.
Per a les bobines amb una durada màxima de corrent de 2 hores (com especificat per a la corrent de ràtting), l'augment de temperatura permès és de 100 K. Aquesta condició coincideix amb el mode d'operació de la majoria dels transformadors de terra.
Per a les bobines amb una durada màxima de corrent de 30 minuts, l'augment de temperatura permès és de 120 K.
Aquests requisits estan basats en assegurar que, en les condicions d'operació més severes, la temperatura del punt calent de les bobines no superi els 140 °C a 160 °C, garantint així el funcionament segur de l'aïllament i evitant una reducció dràstica de la vida útil de l'aïllament.
