Metody kablowania i parametry transformatorów ziemnych
Konfiguracje wirowe transformatora ziemnego
Transformatory ziemne są klasyfikowane według połączenia wirowego na dwa typy: ZNyn (ziguezague) lub YNd. Ich punkty neutralne mogą być podłączone do cewki tłumienia łuku lub rezystora ziemnego. Obecnie częściej stosowany jest transformator ziemny typu ziguezague (Z) podłączony poprzez cewkę tłumienia łuku lub niskowartościowy rezystor.
1. Transformator ziemny typu Z
Transformatory ziemne typu Z występują zarówno w wersji olejowej, jak i suchociepłej. Wśród nich, lepienie żywicne to rodzaj suchocieplej izolacji. Strukturalnie są one podobne do standardowego trójfazowego transformatora mocy z rdzeniem, z tą różnicą, że na każdym ramieniu fazy, wirowanie jest podzielone na dwie równe sekcje - górną i dolną. Koniec jednej sekcji jest podłączony szeregowo z przeciwnym polarytetem do końca wirowania innej fazy.
Dwie sekcje wirowe mają przeciwne polarytety, tworząc nową fazę w konfiguracji ziguezague. Początkowe terminale górnych wirowań - U1, V1, W1 - są wywiedzione i podłączone do trójfazowych linii zasilania A, B i C, odpowiednio. Początkowe terminale dolnych wirowań - U2, V2, W2 - są połączone razem, tworząc punkt neutralny, który następnie jest podłączony do rezystora ziemnego lub cewki tłumienia łuku, jak pokazano na rysunku. W zależności od konkretnej metody połączenia, transformatory ziemne typu Z są dalej kategoryzowane jako konfiguracje ZNvn1 i ZNyn11.
Transformatory ziemne typu Z mogą również być wyposażone w niskonapięciowe wirowanie, zwykle podłączone w gwiazdę z uziemionym punktem neutralnym (yn), co pozwala im pełnić funkcję transformatorów stacyjnych.
2. Transformator ziemny typu Z
Zalety połączenia ziguezague transformatorów typu Z:
Podczas pojedynczego zwarcia fazy, prąd uszkodzenia ziemnego jest rozdzielony w przybliżeniu równomiernie między trzyfazowe wirowania. Siły magnetyczne (MMF) dwóch wirowań na każdym ramieniu rdzenia są skierowane przeciwnie, więc nie ma efektu tłumienia, co pozwala prądowi swobodnie płynąć z punktu neutralnego do zwarcia.
Nie ma składowej trzeciej harmonicznej w napięciu fazowym, ponieważ w trójfazowym zestawie transformatorów jednofazowych z połączeniem ziguezague, trzecie harmoniczne mają taką samą wielkość i kierunek jako wektory. Dzięki układowi wirowań, elektromotoryczne siły trzecich harmonicznych w każdej fazie się wzajemnie eliminują, powodując niemal sinusoidalne napięcie fazowe.
W transformatorze ziemnym typu Z, prądy zerowej sekwencji w dwóch półwirowaniach na tym samym ramieniu rdzenia płyną w przeciwnych kierunkach; dlatego impedancja zerowej sekwencji jest bardzo niska i nie hamuje prądu zerowej sekwencji. Zasada działania jej niskiej impedancji zerowej sekwencji jest następująca: na każdym z trzech ramion rdzenia transformatora ziemnego są dwa wirowania o równej liczbie okręceń, każde podłączone do różnych fazowych napięć.
Gdy do terminali liniowych transformatora ziemnego podane są zrównoważone trójfazowe napięcia dodatniej lub ujemnej sekwencji, MMF na każdym ramieniu rdzenia jest wektorową sumą MMF z dwóch wirowań podłączonych do różnych faz. Wynikowe MMF na poszczególnych ramionach rdzenia są przesunięte o 120°, tworząc zrównoważony zestaw trójfazowy. Jednofazowe MMF może utworzyć obwód magnetyczny przez wszystkie trzy ramiona rdzenia, co powoduje niską magnetyczną opórność, dużą strumień magnetyczny, wysokie indukowane EMF i tym samym bardzo wysoką impedancję magnetyzującą.
Jednak, gdy do trójfazowych terminali liniowych podane jest napięcie zerowej sekwencji, MMF wytworzone przez dwa wirowania na każdym ramieniu rdzenia są równe co do wielkości, ale przeciwnie skierowane, co prowadzi do zerowego netto MMF na każdym ramieniu - zatem nie ma MMF zerowej sekwencji w trzech ramionach rdzenia. MMF zerowej sekwencji może ukończyć swój obwód tylko przez kadłub i otaczającą go medio, co stanowi bardzo wysoką magnetyczną opórność; w konsekwencji, MMF zerowej sekwencji jest bardzo małe, co prowadzi do bardzo niskiej impedancji zerowej sekwencji.
3.Parametry transformatora ziemnego
Aby spełnić wymagania sieci dystrybucyjnych korzystających z kompensacji uziemienia przez cewkę tłumienia łuku, a jednocześnie zaspokoić potrzeby obciążeń stacyjnych dla energii i oświetlenia w stacjach, wybierane są transformatory z połączeniem Z, a kluczowe parametry transformatora ziemnego muszą być rozsądnie ustawione.
3.1 Moc nominalna
Moc strony pierwotnej transformatora ziemnego powinna odpowiada mocy cewki tłumienia łuku. Na podstawie standardowych wartości mocy cewki tłumienia łuku, zaleca się, aby moc transformatora ziemnego była ustawiona na 1,05–1,15 razy moc cewki tłumienia łuku. Na przykład, 200 kVA cewka tłumienia łuku byłaby sparowana z 215 kVA transformatorem ziemnym.
3.2 Prąd kompensacyjny punktu neutralnego
Całkowity prąd płynący przez punkt neutralny transformatora podczas pojedynczego zwarcia fazy
W powyższym wzorze:
U to napięcie liniowe sieci dystrybucyjnej (V);
Zx to impedancja cewki tłumienia łuku (Ω);
Zd to impedancja zerowej sekwencji strony pierwotnej transformatora ziemnego (Ω/faza);
Zs to impedancja systemu (Ω).
Czas trwania prądu kompensacyjnego punktu neutralnego powinien być taki sam jak czas ciągłego działania cewki tłumienia łuku, który wynosi 2 godziny.
3.3 Impedancja sekwencyjna zerowa
Impedancja sekwencyjna zerowa jest kluczowym parametrem transformatora ziemnego i znacząco wpływa na ustawienia ochrony przekaźnikowej do ograniczania prądów uszkodzeń jednofazowych do ziemni i tłumienia przepięć. Dla transformatorów ziemnych typu zigzag (typ Z) bez cewki wtórnej, jak również tych z połączeniami gwiazdowo/otwarty trójkąt, istnieje tylko jedna impedancja - mianowicie impedancja sekwencyjna zerowa - co umożliwia producentom spełnienie wymagań operatorów.
3.4 Straty
Straty są ważnym parametrem wydajności transformatorów ziemnych. Dla transformatorów ziemnych wyposażonych w cewkę wtórną, straty bezobciążeniowe mogą być równe tym dla transformatora dwucewkowego o takiej samej mocy. W odniesieniu do strat obciążeniowych, gdy strona wtórna działa przy pełnym obciążeniu, strona pierwotna niesie stosunkowo lekkie obciążenie; stąd jej straty obciążeniowe są niższe niż te dla transformatora dwucewkowego o takiej samej mocy strony wtórnej.
3.5 Wzrost temperatury
Zgodnie ze standardami krajowymi, wzrost temperatury transformatorów ziemnych jest regulowany następująco:
Wzrost temperatury pod prądem ciągłym nominalnym powinien odpowiadać przepisom w krajowym standardzie dla ogólnych transformatorów elektrycznych lub transformatorów suchych. Dotyczy to głównie transformatorów ziemnych, których strona wtórna jest często obciążana.
Gdy prąd obciążenia krótkotrwałego trwa nie dłużej niż 10 sekund (scenariusz, który zwykle występuje, gdy punkt neutralny jest podłączony do rezystora), wzrost temperatury powinien odpowiadać limitom określonym w krajowym standardzie dla transformatorów elektrycznych w warunkach zwarciowych.
Gdy transformator ziemny działa razem z cewką kompensacyjną, jego wzrost temperatury powinien odpowiadać wymaganiom wzrostu temperatury dla cewki kompensacyjnej:
Dla cewek ciągle niosących prąd nominalny, wzrost temperatury jest ograniczony do 80 K. Dotyczy to głównie transformatorów ziemnych z połączeniami gwiazdowo/otwarty trójkąt.
Dla cewek z maksymalnym czasem trwania prądu wynoszącym 2 godziny (określone dla prądu nominalnego), dopuszczalny wzrost temperatury wynosi 100 K. Ten warunek odpowiada trybowi pracy większości transformatorów ziemnych.
Dla cewek z maksymalnym czasem trwania prądu wynoszącym 30 minut, dopuszczalny wzrost temperatury wynosi 120 K.
Te przepisy opierają się na zapewnieniu, że w najtrudniejszych warunkach pracy, temperatura punktu gorącego cewek nie przekracza 140 °C do 160 °C, gwarantując bezpieczne działanie izolacji i unikając poważnego skrócenia żywotności izolacji.
