روش‌ها و پارامترهای اتصال ترانس‌های زمینی

پیکربندی‌های پیچشی ترانسفورماتور زمین‌گذاری

ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری بر اساس نوع اتصال پیچش به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: ZNyn (زیگزاگ) یا YNd. نقاط میانی آن‌ها می‌توانند به یک کاتوک خنثی‌ساز یا مقاومت زمین‌گذاری متصل شوند. در حال حاضر، ترانسفورماتور زمین‌گذاری زیگزاگ (نوع Z) که از طریق یک کاتوک خنثی‌ساز یا مقاومت کم‌قدرت متصل می‌شود، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۱. ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z
ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری نوع Z به صورت نیمه‌رسوب و با عایق خشک موجود هستند. در میان آن‌ها، ریزنیشی نوعی عایق خشک است. از نظر ساختاری مشابه یک ترانسفورماتور توان سه‌فازه هستند، با این تفاوت که در هر ساقه فازی، پیچش به دو بخش با تعداد دور مساوی—بالا و پایین—تقسیم می‌شود. انتهای یک بخش با قطبیت معکوس به انتهای پیچش فاز دیگر در سری متصل می‌شود. 

دو بخش پیچشی با قطبیت‌های مخالف، یک فاز جدید در پیکربندی زیگزاگ تشکیل می‌دهند. ابتدای پیچش‌های بالا—U1، V1، W1—به خطوط AC سه‌فاز A، B، و C متصل می‌شوند. ابتدای پیچش‌های پایین—U2، V2، W2—با هم متصل می‌شوند تا نقطه میانی را تشکیل دهند که سپس به یک مقاومت زمین‌گذاری یا کاتوک خنثی‌ساز متصل می‌شود، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است. بر اساس روش اتصال خاص، ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری نوع Z به پیکربندی‌های ZNvn1 و ZNyn11 تقسیم‌بندی می‌شوند.

ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری نوع Z ممکن است با پیچش پایین‌ولتا مجهز شوند که معمولاً به صورت ستاره با میانی زمین‌گذاری (yn) متصل می‌شود و به عنوان ترانسفورماتورهای خدماتی ایستگاه عمل می‌کنند.

۲. ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z
مزایای اتصال زیگزاگ ترانسفورماتورهای نوع Z:

1. در حالت خرابی تک‌فاز، جریان خطا تقریباً به طور مساوی بین پیچش‌های سه‌فاز تقسیم می‌شود. نیروهای مغناطیسی (MMFs) دو پیچش روی هر ساقه هسته در جهات مخالف هستند، بنابراین هیچ اثر میرایی وجود ندارد و جریان می‌تواند آزادانه از نقطه میانی به خط خراب شده جریان یابد.

2. در ولتاژ فازی هارمونیک سوم وجود ندارد زیرا در یک بانک ترانسفورماتور سه‌تک‌فازی زیگزاگ، هارمونیک‌های سوم دارای اندازه و جهت یکسان به عنوان بردارها هستند. به دلیل پیکربندی پیچشی، الکتروموتاژ‌های هارمونیک سوم در هر فاز یکدیگر را خنثی می‌کنند و به نتیجه‌ای نزدیک به سینوسی منجر می‌شوند.

در یک ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z، جریان‌های توالی صفر در دو نیم‌پیچش روی همان ساقه هسته در جهات مخالف جریان می‌یابند؛ بنابراین، واکنش توالی صفر بسیار کم است و جریان توالی صفر را خنثی نمی‌کند. اصل پایین بودن واکنش توالی صفر به شرح زیر است: در هر یک از سه ساقه هسته ترانسفورماتور زمین‌گذاری، دو پیچش با تعداد دور مساوی وجود دارد که به ولتاژ‌های فاز مختلف متصل شده‌اند. 

وقتی ولتاژ‌های سه‌فاز متعادل مثبت یا منفی به ترمینال‌های خط ترانسفورماتور زمین‌گذاری اعمال می‌شود، MMF روی هر ساقه هسته مجموع برداری MMF‌های دو پیچش متصل به فاز‌های مختلف است. نتیجه MMF‌ها روی ساقه‌های جداگانه با اختلاف ۱۲۰ درجه، یک مجموعه سه‌فاز متعادل تشکیل می‌دهند. MMF تک‌فاز می‌تواند مدار مغناطیسی را در سراسر سه ساقه هسته ایجاد کند، که منجر به مقاومت مغناطیسی پایین، فلوکس مغناطیسی زیاد، الکتروموتاژ القایی بالا و در نتیجه واکنش مغناطیسی بسیار بالا می‌شود.

 اما وقتی ولتاژ توالی صفر به ترمینال‌های خط سه‌فاز اعمال می‌شود، MMF‌های تولید شده توسط دو پیچش روی هر ساقه هسته از نظر اندازه مساوی و از نظر جهت مخالف هستند، که منجر به صفر شدن MMF خالص روی هر ساقه می‌شود—بنابراین، هیچ MMF توالی صفری در سه ساقه هسته وجود ندارد. MMF توالی صفر فقط می‌تواند مسیر خود را از طریق ظرف و محیط اطراف ادامه دهد که مقاومت مغناطیسی بسیار بالایی دارد؛ بنابراین، MMF توالی صفر بسیار کم است که منجر به واکنش توالی صفر بسیار پایین می‌شود.

۳. پارامترهای ترانسفورماتور زمین‌گذاری
برای رضایت از نیازهای شبکه‌های توزیع که از کاتوک خنثی‌ساز برای جبران زمین‌گذاری استفاده می‌کنند، همچنین برای رضایت از نیازهای بارهای خدماتی در زیرстанیون‌ها، ترانسفورماتورهای متصل به Z انتخاب می‌شوند و پارامترهای کلیدی ترانسفورماتور زمین‌گذاری باید به طور مناسب تنظیم شوند.

۳.۱ ظرفیت اسمی
ظرفیت سمت اولیه ترانسفورماتور زمین‌گذاری باید با ظرفیت کاتوک خنثی‌ساز مطابقت داشته باشد. بر اساس ظرفیت‌های استاندارد کاتوک خنثی‌ساز، توصیه می‌شود ظرفیت ترانسفورماتور زمین‌گذاری به ۱.۰۵–۱.۱۵ برابر ظرفیت کاتوک خنثی‌ساز تنظیم شود. به عنوان مثال، یک کاتوک خنثی‌ساز ۲۰۰ kVA با یک ترانسفورماتور زمین‌گذاری ۲۱۵ kVA همراه خواهد بود.

۳.۲ جریان جبرانی نقطه میانی
مجموع جریانی که در زمان خرابی تک‌فاز از نقطه میانی ترانسفورماتور می‌گذرد

در فرمول فوق:

U ولتاژ خط شبکه توزیع (V) است؛
Zx مقاومت کاتوک خنثی‌ساز (Ω) است؛
Zd واکنش توالی صفر اولیه ترانسفورماتور زمین‌گذاری (Ω/فاز) است؛
Zs مقاومت سیستم (Ω) است.

مدت زمان جریان جبرانی نقطه میانی باید با مدت زمان کار مداوم کاتوک خنثی‌ساز یکسان باشد که ۲ ساعت تعیین شده است.

۳.۳ مانایی دنباله صفر
مانایی دنباله صفر پارامتر مهمی از ترانسفورماتور زمین‌گیر است و به طور قابل توجهی بر تنظیمات محافظت رله‌ای برای محدود کردن جریان‌های خطا تک‌فازه و سرکوب ولتاژهای بیش از حد تأثیر می‌گذارد. برای ترانسفورماتورهای زمین‌گیر نوع زیگزاگ (Z) بدون سیم‌پیچ ثانویه و همچنین آنهایی با اتصال ستاره/دلتا باز، تنها یک مانایی وجود دارد - یعنی مانایی دنباله صفر - که به سازندگان اجازه می‌دهد نیازهای شرکت‌های برق را برآورده کنند.

۳.۴ زیان‌ها
زیان‌ها پارامتر عملکرد مهمی از ترانسفورماتورهای زمین‌گیر هستند. برای ترانسفورماتورهای زمین‌گیر مجهز به سیم‌پیچ ثانویه، زیان بدون بار می‌تواند معادل زیان بدون بار یک ترانسفورماتور دو‌سیم‌پیچی با ظرفیت مشابه باشد. در مورد زیان‌های بار، وقتی طرف ثانویه با بار کامل کار می‌کند، طرف اولیه بار نسبتاً کمتری را تحمل می‌کند؛ بنابراین، زیان بار آن کمتر از زیان بار یک ترانسفورماتور دو‌سیم‌پیچی با ظرفیت ثانویه مشابه است.

۳.۵ افزایش دما
بر اساس استانداردهای ملی، افزایش دما در ترانسفورماتورهای زمین‌گیر به شرح زیر تنظیم شده است:

1. افزایش دما در جریان مداوم اسمی باید با مقررات موجود در استاندارد ملی برای ترانسفورماتورهای قدرت عمومی یا خشک مطابقت داشته باشد. این موضوع عمدتاً برای ترانسفورماتورهای زمین‌گیری که طرف ثانویه آنها معمولاً بار دارد، اعمال می‌شود.

2. وقتی که جریان بار کوتاه‌مدت بیش از ۱۰ ثانیه (حالتی که معمولاً زمانی رخ می‌دهد که نقطه محايد به مقاومت متصل می‌شود) نباشد، افزایش دما باید با محدوده‌های تعیین شده در استاندارد ملی برای ترانسفورماتورهای قدرت در شرایط کوتاه‌شدن مطابقت داشته باشد.

3. هنگامی که ترانسفورماتور زمین‌گیر با یک دستگاه خنثی‌کننده قوس الکتریکی همزمان کار می‌کند، افزایش دما باید با محدوده‌های افزایش دما برای دستگاه خنثی‌کننده قوس الکتریکی مطابقت داشته باشد:

• برای سیم‌پیچ‌هایی که به طور مداوم جریان اسمی را تحمل می‌کنند، افزایش دما به ۸۰ کلوین محدود می‌شود. این موضوع عمدتاً برای ترانسفورماتورهای زمین‌گیر با اتصال ستاره/دلتا باز اعمال می‌شود.

• برای سیم‌پیچ‌هایی که حداکثر مدت تحمل جریان ۲ ساعت (به عنوان جریان اسمی مشخص شده) است، افزایش دما مجاز ۱۰۰ کلوین است. این شرایط با حالت عملیاتی بیشتر ترانسفورماتورهای زمین‌گیر مطابقت دارد.

• برای سیم‌پیچ‌هایی که حداکثر مدت تحمل جریان ۳۰ دقیقه است، افزایش دما مجاز ۱۲۰ کلوین است.

این مقررات براساس اطمینان از اینکه در بدترین شرایط عملیاتی، دمای نقاط داغ سیم‌پیچ‌ها بیش از ۱۴۰ تا ۱۶۰ درجه سانتیگراد نشود، تا عملکرد ایمن عایق و جلوگیری از کاهش شدید عمر عایق تضمین شود.