Методы подключения и параметры заземляющих трансформаторов
Конфигурации обмоток заземляющего трансформатора
Заземляющие трансформаторы классифицируются по соединению обмоток на два типа: ZNyn (зигзаг) или YNd. Их нейтральные точки могут быть подключены к дугогасящей катушке или резистору заземления. В настоящее время более широко используется заземляющий трансформатор типа зигзаг (Z-типа), подключенный через дугогасящую катушку или резистор с малым значением.
1. Трансформатор заземления типа Z
Трансформаторы заземления типа Z выпускаются как в масляном, так и в сухом изоляционном исполнении. Среди них, заливные являются типом сухой изоляции. По конструкции они схожи с обычным трехфазным сердечником силового трансформатора, за исключением того, что на каждой фазной ноге обмотка разделена на две равные секции — верхнюю и нижнюю. Конец одной секции соединен последовательно с противоположной полярностью с концом обмотки другой фазы.
Две секции обмоток имеют противоположные полярности, образуя новую фазу в конфигурации зигзаг. Начальные выводы верхних обмоток — U1, V1, W1 — выведены и подключены к трехфазным линиям переменного тока A, B и C соответственно. Начальные выводы нижних обмоток — U2, V2, W2 — соединены вместе, образуя нейтральную точку, которая затем подключается к резистору заземления или дугогасящей катушке, как показано на рисунке. В зависимости от конкретного способа подключения трансформаторы заземления типа Z подразделяются на конфигурации ZNvn1 и ZNyn11.
Трансформаторы заземления типа Z также могут быть оснащены низковольтной обмоткой, обычно подключенной в звезду с заземленной нейтралью (yn), что позволяет им выполнять функции трансформаторов собственных нужд станции.
2. Трансформатор заземления типа Z
Преимущества зигзагообразного соединения трансформаторов типа Z:
При однофазном коротком замыкании ток заземления распределяется примерно равномерно между обмотками трех фаз. Магнитодвижущие силы (МДС) двух обмоток на каждой фазной ноге направлены в противоположные стороны, поэтому нет демпфирующего эффекта, что позволяет току свободно течь от нейтральной точки к поврежденной линии.
В фазном напряжении отсутствует третья гармоника, поскольку в зигзагообразно соединенной группе трех однофазных трансформаторов третьи гармоники имеют одинаковую величину и направление в виде векторов. Из-за расположения обмоток третьи гармонические ЭДС в каждой фазе взаимно компенсируются, что приводит к почти синусоидальному фазному напряжению.
В трансформаторе заземления типа Z нулевые последовательности токов в двух половинных обмотках на одной и той же фазной ноге текут в противоположных направлениях; следовательно, нулевое реактивное сопротивление очень низкое, и оно не ограничивает нулевой последовательный ток. Принцип его низкого нулевого реактивного сопротивления заключается в следующем: на каждой из трех фазных ног заземляющего трансформатора есть две обмотки с равным числом витков, каждая из которых подключена к разным фазным напряжениям.
Когда на линейные выводы заземляющего трансформатора подаются сбалансированные положительные или отрицательные последовательные трехфазные напряжения, МДС на каждой фазной ноге является векторной суммой МДС от двух обмоток, подключенных к разным фазам. Результирующие МДС на отдельных фазных ногах смещены на 120°, образуя сбалансированную трехфазную систему. Однофазная МДС может создать магнитный контур через все три фазные ноги, что приводит к низкому магнитному сопротивлению, большому магнитному потоку, высокой индуцированной ЭДС и, следовательно, очень высокому магнитизирующему сопротивлению.
Однако, когда на трехфазные линейные выводы подается нулевое последовательное напряжение, МДС, создаваемые двумя обмотками на каждой фазной ноге, равны по величине, но направлены в противоположные стороны, что приводит к нулевой суммарной МДС на каждой ноге — следовательно, нулевая последовательная МДС отсутствует на трех фазных ногах. Нулевая последовательная МДС может завершить свой путь только через корпус и окружающую среду, что представляет собой очень высокое магнитное сопротивление; следовательно, нулевая последовательная МДС очень мала, что приводит к очень низкому нулевому реактивному сопротивлению.
3. Параметры заземляющего трансформатора
Чтобы удовлетворить требования сетей распределения, использующих дугогасящую катушку для компенсации заземления, а также потребности в электроснабжении и освещении собственных нужд подстанций, выбираются трансформаторы с Z-соединением, и ключевые параметры заземляющего трансформатора должны быть правильно установлены.
3.1 Номинальная мощность
Мощность первичной стороны заземляющего трансформатора должна соответствовать мощности дугогасящей катушки. На основе стандартных рейтингов мощности дугогасящих катушек рекомендуется, чтобы мощность заземляющего трансформатора была установлена в 1,05–1,15 раза больше мощности дугогасящей катушки. Например, 200 кВА дугогасящая катушка будет использоваться с 215 кВА заземляющим трансформатором.
3.2 Компенсационный ток нейтральной точки
Общий ток, протекающий через нейтральную точку трансформатора при однофазном повреждении
В приведенной выше формуле:
U — линейное напряжение сети распределения (В);
Zx — импеданс дугогасящей катушки (Ом);
Zd — первичное нулевое последовательное сопротивление заземляющего трансформатора (Ом/фаза);
Zs — сопротивление системы (Ом).
Продолжительность компенсационного тока нейтральной точки должна быть такой же, как продолжительность непрерывной работы дугогасящей катушки, которая составляет 2 часа.
3.3 Нулевая последовательность импеданса
Импеданс нулевой последовательности является критическим параметром заземляющего трансформатора и оказывает значительное влияние на настройки релейной защиты для ограничения токов однофазного замыкания на землю и подавления перенапряжений. Для зигзагообразных (Z-типа) заземляющих трансформаторов без вторичной обмотки, а также для трансформаторов со звездой/открытый треугольник, существует только один импеданс — а именно, импеданс нулевой последовательности, что позволяет производителям соответствовать требованиям энергосистем.
3.4 Потери
Потери являются важным эксплуатационным параметром заземляющих трансформаторов. Для заземляющих трансформаторов, оснащённых вторичной обмоткой, потери холостого хода могут быть эквивалентны потерям двухобмоточного трансформатора той же номинальной мощности. Что касается нагрузочных потерь, то при полной нагрузке на вторичной стороне первичная сторона несёт относительно небольшую нагрузку; таким образом, её нагрузочные потери ниже, чем у двухобмоточного трансформатора с такой же ёмкостью на вторичной стороне.
3.5 Превышение температуры
Согласно национальным стандартам, превышение температуры заземляющих трансформаторов регламентируется следующим образом:
Превышение температуры при номинальном длительном токе должно соответствовать положениям национального стандарта для общих силовых трансформаторов или сухих трансформаторов. Это в основном применяется к заземляющим трансформаторам, вторичная сторона которых часто нагружена.
Когда ток кратковременной нагрузки длится не более 10 секунд (сценарий, обычно возникающий при подключении нейтрали через резистор), превышение температуры должно соответствовать предельным значениям, указанным в национальном стандарте для силовых трансформаторов при коротком замыкании.
Когда заземляющий трансформатор работает совместно с дугогасящей катушкой, его превышение температуры должно соответствовать требованиям по превышению температуры для дугогасящей катушки:
Для обмоток, постоянно несущих номинальный ток, превышение температуры ограничивается до 80 К. Это в основном применяется к заземляющим трансформаторам с соединением звезда/открытый треугольник.
Для обмоток с максимальной продолжительностью тока 2 часа (как указано для номинального тока), допустимое превышение температуры составляет 100 К. Этот режим соответствует условиям работы большинства заземляющих трансформаторов.
Для обмоток с максимальной продолжительностью тока 30 минут допустимое превышение температуры составляет 120 К.
Эти положения основаны на обеспечении того, чтобы при наиболее тяжёлых условиях эксплуатации температура «горячей точки» обмоток не превышала 140 °C–160 °C, тем самым гарантируя безопасную работу изоляции и предотвращая серьёзное сокращение срока службы изоляции.
