Připojovací metody a parametry zemnících transformátorů

Konfigurace závitů zemnících transformátorů

Zemníče transformátory jsou dle spojení závitů rozděleny na dva typy: ZNyn (zubaté) nebo YNd. Jejich neutrální body mohou být připojeny k tlačidlu pro potlačování oblouku nebo k zemnícímu odporníku. V současné době se častěji používá zubatý (Z-typ) zemnící transformátor připojený přes tlačidlo pro potlačování oblouku nebo nízkodbaný odporník.

1. Z-typ zemnícího transformátoru
Z-typ zemnících transformátorů existuje v olejovém i suchém izolačním provedení. Mezi ně patří i lemovaný typ jako druh suché izolace. Konstrukčně je podobný standardnímu třífázovému jadernému síťovému transformátoru, s tím rozdílem, že na každém fázovém nožičkovém rameni je závit rozdělen do dvou stejně otočených částí – horní a dolní. Konec jedné části je sériově připojen s opačnou polaritou k konci závitu jiné fáze. 

Dvě části závitu mají opačné polarity, což vytváří novou fázi ve zubaté konfiguraci. Začátky horních závitů – U1, V1, W1 – jsou vyvedeny a připojeny k třífázovým střídavým napájecím linkám A, B a C. Začátky dolních závitů – U2, V2, W2 – jsou spojeny dohromady, aby vytvořily neutrální bod, který je pak připojen k zemnícímu odporníku nebo tlačidlu pro potlačování oblouku, jak je znázorněno na obrázku. Podle specifického způsobu připojení jsou Z-typy zemnících transformátorů dále kategorizovány do konfigurací ZNvn1 a ZNyn11.

Z-typ zemnících transformátorů může být také vybaven nízkonapěťovým závitom, obvykle připojeným v hvězdě s zemnícím neutrálním bodem (yn), což jim umožňuje sloužit jako stanice servisních transformátorů.

2. Z-typ zemnícího transformátoru
Výhody zubatého spojení Z-typu transformátorů:

1. Při jednofázovém krátkém zapojení je zemnící proud chyby přibližně rovnoměrně rozdělen mezi třemi fázovými závity. Magnetické síly (MMF) dvou závitů na každém jádrové rameni jsou protilehlé, takže není žádný tlumič, což umožňuje proudu volně proudit od neutrálního bodu k zkrácené lince.

2. V fázovém napětí není třetí harmonická složka, protože v tříjednofázovém transformátoru s zubatým spojením mají třetí harmonické stejnou velikost a směr jako vektory. Díky uspořádání závitů se třetí harmonické elektromotorické síly v každé fázi vzájemně ruší, což vede k téměř sinusovitému fázovému napětí.

U Z-typu zemnícího transformátoru proudí nulové sekvence proudu v obou polovičních závitech na stejném jádrovém rameni opačnými směry; proto je nulový sekvencový reaktance velmi nízká a neztlumuje nulový sekvencový proud. Princip nízké nulové sekvencové impedance je následující: na každém z tří jádrových rameňů zemnícího transformátoru jsou dva závity s rovným počtem otoček, každý připojený k různým fázovým napětím. 

Když jsou na linkové terminály zemnícího transformátoru aplikována vyrovnaná pozitivní nebo negativní sekvence třífázového napětí, magnetická síla (MMF) na každém jádrovém rameni je vektorovým součtem MMF ze dvou závitů připojených k různým fázím. Výsledné MMF na jednotlivých jádrových rameňích jsou posunuté o 120°, což vytváří vyrovnanou třífázovou sadu. Jednofázová MMF může vytvořit magnetický okruh přes všechna tři jádrová ramena, což vede k nízkému magnetickému odporu, velkému magnetickému toku, vysoké indukované EMF a tedy velmi vysoké magnetizační impedanci.

 Avšak když je na třífázové linkové terminály aplikováno nulové sekvencové napětí, MMF produkované dvěma závity na každém jádrovém rameni jsou stejné v hodnotě, ale opačné ve směru, což vede k nulové celkové MMF na každém rameni – tedy neexistuje žádná nulová sekvencová MMF v třech jádrových rameňích. Nulová sekvencová MMF může dokončit svou cestu pouze přes nádrž a okolní prostředí, což představuje velmi vysoký magnetický odpor; v důsledku toho je nulová sekvencová MMF velmi malá, což vede k velmi nízké nulové sekvencové impedanci.

3.Parametry zemnícího transformátoru
Pro splnění požadavků distribučních sítí s kompenzací tlačidlem pro potlačování oblouku a zároveň pro splnění potřeb stanicích servisních zatížení pro energii a osvětlení v elektrárnách jsou vybrány Z-spojené transformátory, a klíčové parametry zemnícího transformátoru musí být rozumně nastaveny.

3.1 Nominální kapacita
Kapacita primární strany zemnícího transformátoru by měla odpovídat kapacitě tlačidla pro potlačování oblouku. Na základě standardních kapacit tlačidel pro potlačování oblouku se doporučuje, aby kapacita zemnícího transformátoru byla nastavena na 1,05–1,15 násobek kapacity tlačidla pro potlačování oblouku. Například 200 kVA tlačidlo pro potlačování oblouku by bylo spárováno s 215 kVA zemnícím transformátorem.

3.2 Kompenzační proud neutrálního bodu
Celkový proud, který proudí přes neutrální bod transformátoru při jednofázové chybě

V uvedené formuli:

U je linkové napětí distribuční sítě (V);
Zx je impedance tlačidla pro potlačování oblouku (Ω);
Zd je primární nulová sekvencová impedance zemnícího transformátoru (Ω/fáze);
Zs je systémová impedance (Ω).

Doba trvání kompenzačního proudu neutrálního bodu by měla být stejná jako nepřetržitá provozní doba tlačidla pro potlačování oblouku, která je specifikována na 2 hodiny.

3.3 Nulový pořadí odpor
Nulový pořadí odpor je klíčový parametr zemnící transformátoru a významně ovlivňuje nastavení relé ochrany pro omezování jednosměrných zemních přetoků a potlačování přetlaků. Pro zemnící transformátory s cik-cak (Z-typ) spojením bez sekundárného vinutí, stejně jako ty s hvězdicovým/otevřeným deltovým spojením, existuje pouze jeden odpor - nulový pořadí odpor - což umožňuje výrobce splnit požadavky provozovatelů.

3.4 Ztráty
Ztráty jsou důležitým výkonnostním parametrem zemnících transformátorů. Pro zemnící transformátory vybavené sekundárním vinutím může být prázdná ztráta ekvivalentní prázdné ztrátě dvouvinutého transformátoru stejného stupně. Pokud jde o zatížení, když se sekundární strana provozuje plným zatížením, primární strana nese relativně lehké zatížení; tedy její ztráta zatížení je nižší než u dvouvinutého transformátoru se stejnou kapacitou sekundární strany.

3.5 Teplotní stoupnutí
Podle národních standardů je teplotní stoupnutí zemnících transformátorů upraveno následovně:

1. Teplotní stoupnutí za kontinuálním proudem nominální hodnoty musí odpovídat ustanovením národního standardu pro obecné elektrické transformátory nebo suché transformátory. To se vztahuje především na zemnící transformátory, jejichž sekundární strana je často zatížena.

2. Když dojde k krátkodobému zatížení proudem trvajícímu nejvýše 10 sekund (scénář, který se obvykle vyskytuje, když je neutrální bod spojen s odporem), teplotní stoupnutí musí odpovídat limitům stanoveným národním standardem pro elektrické transformátory za podmínek krátkého zapojení.

3. Když zemnící transformátor funguje společně s dehticí cívkou, jeho teplotní stoupnutí musí odpovídat požadavkům na teplotní stoupnutí dehticí cívky:

• Pro vinutí, která kontinuálně nesou nominální proud, je teplotní stoupnutí omezeno na 80 K. Toto se především vztahuje na zemnící transformátory s hvězdicovým/otevřeným deltovým spojením.

• Pro vinutí s maximální dobou trvání proudu 2 hodiny (jak je specifikováno pro nominální proud), je povolené teplotní stoupnutí 100 K. Tato podmínka odpovídá provoznímu režimu většiny zemnících transformátorů.

• Pro vinutí s maximální dobou trvání proudu 30 minut je povolené teplotní stoupnutí 120 K.

Tyto ustanovení jsou založeny na tom, aby bylo zajištěno, že za nejpřísnějších provozních podmínek teplota horkého místa vinutí nepřekročila 140 °C až 160 °C, což zajišťuje bezpečnou operaci izolace a zabrání značnému snížení životnosti izolace.