روش‌های پیوستگی و پارامترهای ترانسفورماتورهای زمین‌ساز

پیکربندی‌های پیچشی ترانسفورماتور زمین‌گذاری

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

۱. ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z
ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری نوع Z در نسخه‌های غوطه‌ور در روغن و عایق خشک موجود هستند. در میان آنها، رزین‌گذاری نوعی عایق خشک است. از لحاظ ساختاری، مشابه یک ترانسفورماتور توان سه‌فازه هستند، با این تفاوت که در هر پایه فازی، پیچش به دو بخش با تعداد دور مساوی - بالا و پایین - تقسیم می‌شود. انتهای یک بخش به صورت سری با قطبیت معکوس با انتهای پیچش فاز دیگری متصل می‌شود.

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

ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری نوع Z ممکن است با پیچش با ولتاژ کم مجهز شوند که معمولاً به صورت ستاره با نقطه میانی زمین‌گذاری شده (yn) متصل می‌شود، این امکان را می‌دهد تا به عنوان ترانسفورماتورهای خدماتی ایستگاه عمل کنند.

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

1. در حالت کوتاه‌شدن تک‌فاز، جریان خطا تقریباً بین پیچش‌های سه فاز به طور مساوی توزیع می‌شود. نیروهای مغناطیسی (MMF) دو پیچش در هر پایه مغناطیسی در جهت‌های مخالف هستند، بنابراین هیچ اثر میرایی وجود ندارد و جریان می‌تواند آزادانه از نقطه میانی به خط خطا جریان یابد.

2. هیچ مؤلفه سوم‌هارمونیک در ولتاژ فازی وجود ندارد زیرا در یک بانک ترانسفورماتور سه‌تک‌فاز با اتصال زیگزاگ، سوم‌هارمونیک‌ها به صورت برداری از نظر اندازه و جهت یکسان هستند. به دلیل پیکربندی پیچشی، نیروهای الکتروموتوریک سوم‌هارمونیک در هر فاز یکدیگر را خنثی می‌کنند و به این ترتیب ولتاژ فازی تقریباً سینوسی می‌شود.

در یک ترانسفورماتور زمین‌گذاری نوع Z، جریان‌های توالی صفر در دو نیم‌پیچش موجود در همان پایه مغناطیسی در جهت‌های مخالف جریان می‌یابند؛ بنابراین، واکنش توالی صفر بسیار کم است و جریان توالی صفر را مسدود نمی‌کند. اصل پشت واکنش توالی صفر پایین این است: در هر یک از سه پایه مغناطیسی ترانسفورماتور زمین‌گذاری، دو پیچش با تعداد دور مساوی وجود دارد که هر یک به ولتاژ فاز مختلف متصل می‌شود.

وقتی ولتاژ سه‌فاز تعادلی مثبت یا منفی به پایانه‌های خط ترانسفورماتور زمین‌گذاری اعمال می‌شود، MMF در هر پایه مغناطیسی حاصل جمع برداری MMF‌های دو پیچش متصل به فازهای مختلف است. نتیجه MMF‌ها در هر پایه مغناطیسی ۱۲۰ درجه اختلاف فازی دارند و یک مجموعه سه‌فاز تعادلی تشکیل می‌دهند. MMF تک‌فاز می‌تواند مدار مغناطیسی را در سه پایه مغناطیسی ایجاد کند، که باعث می‌شود مغناطیس‌نگردی کم، شار مغناطیسی زیاد، القای EMF بالا و در نتیجه واکنش مغناطیسی بسیار بالا شود.

اما وقتی ولتاژ توالی صفر به پایانه‌های خط سه‌فاز اعمال می‌شود، MMF‌های تولید شده توسط دو پیچش در هر پایه مغناطیسی از نظر اندازه یکسان هستند اما در جهت‌های مخالف هستند، که منجر به صفر شدن MMF خالص در هر پایه می‌شود. بنابراین، هیچ MMF توالی صفری در سه پایه مغناطیسی وجود ندارد. MMF توالی صفر فقط می‌تواند مدار خود را از طریق ظرف و محیط اطراف تکمیل کند که مغناطیس‌نگردی بسیار بالایی دارد؛ بنابراین، MMF توالی صفر بسیار کم است و واکنش توالی صفر بسیار پایین می‌شود.

۳. پارامترهای ترانسفورماتور زمین‌گذاری
برای تأمین نیازهای شبکه‌های توزیع که از کاتوک خاموش‌کننده قوس برای جبران زمین‌گذاری استفاده می‌کنند و همچنین برآوردن نیازهای بارهای خدماتی ایستگاه‌های تغذیه و روشنایی، ترانسفورماتورهای با اتصال Z انتخاب می‌شوند و پارامترهای کلیدی ترانسفورماتور زمین‌گذاری باید به طور مناسب تنظیم شوند.

۳.۱ ظرفیت اسمی
ظرفیت طرف اول ترانسفورماتور زمین‌گذاری باید با ظرفیت کاتوک خاموش‌کننده قوس مطابقت داشته باشد. بر اساس ظرفیت استاندارد کاتوک خاموش‌کننده قوس، توصیه می‌شود که ظرفیت ترانسفورماتور زمین‌گذاری به ۱.۰۵-۱.۱۵ برابر ظرفیت کاتوک خاموش‌کننده قوس تنظیم شود. به عنوان مثال، یک کاتوک خاموش‌کننده قوس ۲۰۰ کیلووات با یک ترانسفورماتور زمین‌گذاری ۲۱۵ کیلووات جفت می‌شود.

۳.۲ جریان جبرانی نقطه میانی
مجموع جریان‌های عبوری از نقطه میانی ترانسفورماتور در حالت خطا تک‌فاز

در فرمول فوق:

U ولتاژ خط شبکه توزیع (ولت) است؛
Zx واکنش کاتوک خاموش‌کننده قوس (اهم) است؛
Zd واکنش توالی صفر طرف اول ترانسفورماتور زمین‌گذاری (اهم/فاز) است؛
Zs واکنش سیستم (اهم) است.

مدت زمان جریان جبرانی نقطه میانی باید با زمان کار مداوم کاتوک خاموش‌کننده قوس یکسان باشد که ۲ ساعت مشخص شده است.

۳.۳ مانعیت دنباله‌ی صفر
مانعیت دنباله‌ی صفر پارامتر مهمی از ترانسفورماتور زمین‌گذاری است و به طور قابل توجهی بر تنظیمات حفاظت رله‌ای برای محدود کردن جریان‌های خطا در فاز واحد و کاهش ولتاژ بیش از حد تأثیر می‌گذارد. برای ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری با الگوی پیچیده (نوع Z) بدون سیم‌پیچ ثانویه، و همچنین آنهایی با اتصالات ستاره/دلتای باز، تنها یک مانعیت وجود دارد—مانعیت دنباله‌ی صفر—که به سازندگان اجازه می‌دهد نیازهای شرکت‌های برق را برآورده کنند.

۳.۴ زیان‌ها
زیان‌ها پارامتر عملکرد مهمی از ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری هستند. برای ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری مجهز به سیم‌پیچ ثانویه، زیان بدون بار می‌تواند معادل زیان بدون بار یک ترانسفورماتور دو سیم‌پیچ با همان ظرفیت باشد. در مورد زیان‌های بار، وقتی سمت ثانویه تحت بار کامل عمل می‌کند، سمت اولیه بار نسبتاً کمی دارد؛ بنابراین، زیان بار آن کمتر از زیان بار یک ترانسفورماتور دو سیم‌پیچ با ظرفیت ثانویه مشابه است.

۳.۵ افزایش دما
بر اساس استانداردهای ملی، افزایش دما در ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری به شرح زیر تنظیم می‌شود:

1. افزایش دما در جریان مداوم مقرر باید با مقررات استاندارد ملی برای ترانسفورماتورهای قدرت عمومی یا خشک موافق باشد. این عمدتاً برای ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری که سمت ثانویه آنها معمولاً بار دارد، اعمال می‌شود.

2. وقتی جریان بار کوتاه‌مدت بیش از ۱۰ ثانیه (سیناریویی که معمولاً زمانی رخ می‌دهد که نقطه‌ی محايد به مقاومت متصل می‌شود) طول می‌کشد، افزایش دما باید با محدوده‌های مشخص شده در استاندارد ملی برای ترانسفورماتورهای قدرت در شرایط کوتاه شدن موافق باشد.

3. وقتی ترانسفورماتور زمین‌گذاری با یک دایره‌ی خنثی‌سازی قوس الکتریکی همزمان عمل می‌کند، افزایش دمای آن باید با الزامات افزایش دما برای دایره‌ی خنثی‌سازی قوس الکتریکی موافق باشد:

• برای سیم‌پیچ‌هایی که به طور مداوم جریان مقرر را حمل می‌کنند، افزایش دما به ۸۰ K محدود می‌شود. این عمدتاً برای ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری با اتصال ستاره/دلتای باز اعمال می‌شود.

• برای سیم‌پیچ‌هایی که مدت حداکثر جریان ۲ ساعت (همانطور که برای جریان مقرر مشخص شده) است، افزایش دمای مجاز ۱۰۰ K است. این شرایط با مدل عملکرد بیشتر ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری مطابقت دارد.

• برای سیم‌پیچ‌هایی که مدت حداکثر جریان ۳۰ دقیقه است، افزایش دمای مجاز ۱۲۰ K است.

این الزامات بر اساس اطمینان از اینکه در بدترین شرایط عملیاتی، دمای نقاط داغ سیم‌پیچ‌ها از ۱۴۰ °C تا ۱۶۰ °C فراتر نمی‌روند، تا عملکرد ایمن عایق و جلوگیری از کاهش شدید عمر عایق تضمین شده‌اند.