Metodi di cablaggio e parametri dei trasformatori di terra

Configurazioni di avvolgimento del trasformatore di messa a terra

I trasformatori di messa a terra sono classificati in base alla connessione degli avvolgimenti in due tipi: ZNyn (zigzag) o YNd. I loro punti neutri possono essere collegati a una bobina di soppressione dell'arco o a un resistore di messa a terra. Attualmente, il trasformatore di messa a terra a zigzag (tipo Z) collegato tramite una bobina di soppressione dell'arco o un resistore di basso valore è più comunemente utilizzato.

1. Trasformatore di messa a terra tipo Z
I trasformatori di messa a terra tipo Z esistono sia in versione a immersione in olio che in versione isolata a secco. Tra questi, la resina stratificata è un tipo di isolamento a secco. Strutturalmente, è simile a un trasformatore trifase standard a nucleo, tranne per il fatto che su ogni gamba di fase, l'avvolgimento è diviso in due sezioni con un numero uguale di spire—superiore e inferiore. La fine di una sezione è collegata in serie con polarità inversa alla fine dell'avvolgimento di un'altra fase. 

Le due sezioni di avvolgimento hanno polarità opposte, formando una nuova fase in configurazione a zigzag. I terminali d'inizio degli avvolgimenti superiori—U1, V1, W1—vengono portati fuori e collegati alle linee di alimentazione trifase A, B e C, rispettivamente. I terminali d'inizio degli avvolgimenti inferiori—U2, V2, W2—sono collegati insieme per formare il punto neutro, che viene poi collegato a un resistore di messa a terra o a una bobina di soppressione dell'arco, come mostrato nella figura. A seconda del metodo di connessione specifico, i trasformatori di messa a terra tipo Z sono ulteriormente categorizzati in configurazioni ZNvn1 e ZNyn11.

I trasformatori di messa a terra tipo Z possono anche essere dotati di un avvolgimento a bassa tensione, solitamente collegato in stella con un punto neutro messo a terra (yn), permettendo loro di funzionare come trasformatori di servizio di stazione.

2. Trasformatore di messa a terra tipo Z
Vantaggi della connessione a zigzag dei trasformatori tipo Z:

1. In caso di cortocircuito monofase, la corrente di difetto di messa a terra è distribuita approssimativamente in modo uniforme tra gli avvolgimenti trifase. Le forze magnetomotrici (MMF) dei due avvolgimenti su ogni gamba del nucleo sono in direzione opposta, quindi non c'è effetto di smorzamento, permettendo alla corrente di fluire liberamente dal punto neutro alla linea difettosa.

2. Non c'è un componente armonico terzo nella tensione di fase perché, in un gruppo di tre trasformatori monofase connessi a zigzag, gli armonici terzi hanno magnitudine e direzione identiche come vettori. A causa della disposizione degli avvolgimenti, le forze elettromotriche armoniche terze in ogni fase si annullano a vicenda, risultando in una tensione di fase quasi sinusoidale.

In un trasformatore di messa a terra tipo Z, le correnti di sequenza zero nelle due metà di avvolgimento sulla stessa gamba del nucleo fluiscono in direzioni opposte; pertanto, l'impedenza di sequenza zero è molto bassa e non soffoca la corrente di sequenza zero. Il principio alla base della sua bassa impedenza di sequenza zero è il seguente: su ciascuna delle tre gambe del nucleo del trasformatore di messa a terra, ci sono due avvolgimenti con un numero uguale di spire, ciascuno collegato a diverse tensioni di fase. 

Quando vengono applicate tensioni trifase bilanciate di sequenza positiva o negativa ai terminali di linea del trasformatore di messa a terra, la forza magnetomotrice (MMF) su ciascuna gamba del nucleo è la somma vettoriale delle MMF dai due avvolgimenti collegati a fasi diverse. Le MMF risultanti su ciascuna gamba del nucleo sono sfasate di 120°, formando un set trifase bilanciato. La MMF monofase può stabilire un circuito magnetico attraverso tutte e tre le gambe del nucleo, risultando in una bassa riluttanza magnetica, un flusso magnetico elevato, un'elevata forza elettromotrice indotta e quindi un'impedenza di magnetizzazione molto alta.

 Tuttavia, quando viene applicata una tensione di sequenza zero ai terminali di linea trifase, le MMF prodotte dai due avvolgimenti su ciascuna gamba del nucleo sono uguali in magnitudine ma opposte in direzione, risultando in una MMF netta nulla per gamba—quindi, non esiste una MMF di sequenza zero nelle tre gambe del nucleo. La MMF di sequenza zero può completare il suo percorso solo attraverso la vasca e il mezzo circostante, che presentano una riluttanza magnetica molto elevata; conseguentemente, la MMF di sequenza zero è molto piccola, portando a un'impedenza di sequenza zero molto bassa.

3.Parametri del trasformatore di messa a terra
Per soddisfare i requisiti delle reti di distribuzione che utilizzano la compensazione di messa a terra con bobina di soppressione dell'arco, e al contempo soddisfare le esigenze dei carichi di servizio di stazione per energia e illuminazione nelle sottostazioni, vengono selezionati i trasformatori connessi a Z, e i parametri chiave del trasformatore di messa a terra devono essere impostati in modo ragionevole.

3.1 Capacità nominale
La capacità primaria del trasformatore di messa a terra dovrebbe corrispondere alla capacità della bobina di soppressione dell'arco. In base alle valutazioni standard della capacità della bobina di soppressione dell'arco, si consiglia che la capacità del trasformatore di messa a terra sia impostata a 1,05–1,15 volte la capacità della bobina di soppressione dell'arco. Ad esempio, una bobina di soppressione dell'arco da 200 kVA sarebbe abbinata a un trasformatore di messa a terra da 215 kVA.

3.2 Corrente di compensazione del punto neutro
La corrente totale che scorre nel punto neutro del trasformatore durante un guasto monofase

Nella formula sopra:

U è la tensione di linea della rete di distribuzione (V);
Zx è l'impedenza della bobina di soppressione dell'arco (Ω);
Zd è l'impedenza di sequenza zero primaria del trasformatore di messa a terra (Ω/fase);
Zs è l'impedenza del sistema (Ω).

La durata della corrente di compensazione del punto neutro dovrebbe essere la stessa del tempo di funzionamento continuo della bobina di soppressione dell'arco, che è specificato come 2 ore.

3.3 Impedenza di sequenza zero
L'impedenza di sequenza zero è un parametro critico del trasformatore di raccordo a terra e influenza significativamente le impostazioni della protezione relè per limitare le correnti di cortocircuito monofase e per sopprimere le sovratensioni. Per i trasformatori di raccordo a terra a zigzag (tipo Z) senza avvolgimento secondario, nonché quelli con connessioni stella/delta aperto, esiste solo un'impedenza, ovvero l'impedenza di sequenza zero, permettendo ai produttori di soddisfare i requisiti delle utility.

3.4 Perdite
Le perdite sono un parametro di prestazione importante dei trasformatori di raccordo a terra. Per i trasformatori di raccordo a terra dotati di un avvolgimento secondario, la perdita a vuoto può essere resa equivalente a quella di un trasformatore bifilare della stessa potenza nominale. Riguardo alle perdite a carico, quando il lato secondario opera a pieno carico, il lato primario porta un carico relativamente leggero; pertanto, la sua perdita a carico è inferiore a quella di un trasformatore bifilare con la stessa capacità sul lato secondario.

3.5 Aumento di temperatura
In conformità con gli standard nazionali, l'aumento di temperatura dei trasformatori di raccordo a terra è regolamentato come segue:

1. L'aumento di temperatura sotto corrente continua nominale deve conformarsi alle disposizioni dello standard nazionale per i trasformatori elettrici generali o a secco. Questo si applica principalmente ai trasformatori di raccordo a terra il cui lato secondario è frequentemente caricato.

2. Quando la corrente di carico a breve termine dura non più di 10 secondi (una situazione che si verifica tipicamente quando il punto neutro è collegato a una resistenza), l'aumento di temperatura deve conformarsi ai limiti specificati nello standard nazionale per i trasformatori elettrici in condizioni di cortocircuito.

3. Quando il trasformatore di raccordo a terra opera insieme a una bobina di soppressione dell'arco, il suo aumento di temperatura deve conformarsi ai requisiti di aumento di temperatura per la bobina di soppressione dell'arco:

• Per gli avvolgimenti che portano continuamente la corrente nominale, l'aumento di temperatura è limitato a 80 K. Questo si applica principalmente ai trasformatori di raccordo a terra con connessione stella/delta aperto.

• Per gli avvolgimenti con una durata massima della corrente di 2 ore (come specificato per la corrente nominale), l'aumento di temperatura permesso è di 100 K. Questa condizione corrisponde al modo di funzionamento di molti trasformatori di raccordo a terra.

• Per gli avvolgimenti con una durata massima della corrente di 30 minuti, l'aumento di temperatura permesso è di 120 K.

Queste disposizioni sono basate sull'assicurazione che, nelle condizioni operative più severe, la temperatura del punto caldo degli avvolgimenti non superi i 140 °C - 160 °C, garantendo così un'operazione sicura dell'isolamento e evitando una riduzione grave della vita dell'isolamento.