Kablingsmetoder och parametrar för jordningstransformatorer

Jordningstransformatorers vindningskonfigurationer

Jordningstransformatorer klassificeras enligt vindningsanslutning i två typer: ZNyn (zigzag) eller YNd. Deras neutralpunkter kan anslutas till en bågutsläckarkolv eller en jordningsmotståndare. För närvarande används zigzag (Z-typ) jordningstransformator som är ansluten via en bågutsläckarkolv eller ett lågvärdes motstånd mer vanligt.

1. Z-Typ Jordningstransformator
Z-typ jordningstransformatorer finns både i oljedoppad och torr isolerad version. Av dessa är harthartsätta en typ av torr isolering. Strukturellt liknar den en standard trefas kärnformad strömförstärkare, med undantag för att på varje fasben är vindningen delad i två lika spolade delar—övre och nedre. Slutet av en sektion är anslutet i omvänt polariserad serie med slutet av en annan fasens vindning. 

De två vindningssektionerna har motsatta polariteter, vilket bildar en ny fas i en zigzag-konfiguration. Startterminalerna för de övre vindningarna—U1, V1, W1—förs ut och ansluts till de trefasiga växelströmsledningarna A, B och C, respektive. Startterminalerna för de nedre vindningarna—U2, V2, W2—binds ihop för att forma den neutrala punkten, vilken sedan ansluts till en jordningsmotståndare eller en bågutsläckarkolv, som visas i figuren. Beroende på den specifika anslutningsmetoden delas Z-typ jordningstransformatorer ytterligare in i ZNvn1- och ZNyn11-konfigurationer.

Z-typ jordningstransformatorer kan också utrustas med en lågspänningsvindning, vanligtvis ansluten i stjärna med en jordad neutral (yn), vilket gör det möjligt för dem att fungera som stationsservice-transformatorer.

2. Z-Typ Jordningstransformator
Fördelar med zigzag-anslutningen av Z-typ transformatorer:

1. Vid en ensidig kortslutning fördelas jordningsfelströmmen ungefär jämnt mellan de trefasiga vindningarna. Magnetiska drivkrafter (MMF) från de två vindningarna på varje kärnben är riktade åt motsatt håll, så det finns ingen dämpning, vilket tillåter ström att flöda fritt från den neutrala punkten till den felaktiga ledningen.

2. Det finns inget tredje-harmoniskt komponent i fasvoltaget eftersom, i en zigzag-ansluten tre-enfasig transformerbank, har de tredje harmonikerna identisk magnitud och riktning som vektorer. På grund av vindningsarrangemanget neutralisera de tredje-harmoniska elektromotoriska krafterna i varje fas varandra, vilket resulterar i ett nästan sinusformat fasvolt.

I en Z-typ jordningstransformator flyter nollsekvensströmmarna i de två halva vindningarna på samma kärnben i motsatt riktning; därför är nollsekvensreaktansen mycket låg, och den kväver inte nollsekvensströmmen. Principt bakom dess låga nollsekvensimpedans är följande: på var och en av de tre kärnbenen i jordningstransformatorn finns det två vindningar med lika antal spolar, var och en ansluten till olika fasvoltagen. 

När balanserade positiva- eller negativa-sekvens trefasiga voltagen appliceras på linjeterminalerna av jordningstransformatorn, är MMF på varje kärnben vektorsumman av MMF från de två vindningarna som är anslutna till olika faser. De resulterande MMF på individuella kärnben är förskjutna med 120°, vilket bildar en balanserad trefasig uppsättning. Den ensidiga MMF kan etablera en magnetisk circuit över alla tre kärnben, vilket resulterar i låg magnetisk motstånd, stor magnetflöde, högt inducerat EMF, och därmed mycket hög magnetisk impedans.

 Men när nollsekvensvoltag appliceras på de trefasiga linjeterminalerna, är MMF producerade av de två vindningarna på varje kärnben lika i magnitud men motsatta i riktning, vilket resulterar i noll nettokraft per ben—därför finns det ingen nollsekvens-MMF i de tre kärnbenen. Nollsekvens-MMF kan endast slutföra sin bana genom tanken och omgivande medium, vilket presenterar mycket hög magnetisk motstånd; därför är nollsekvens-MMF mycket liten, vilket leder till mycket låg nollsekvensimpedans.

3.Jordningstransformatorparametrar
För att möta kraven för distributionsnät som använder bågutsläckarkolv-jordningskompensation, samt för att tillfredsställa behoven av stationsbelastningar för ström och belysning i ombordstationer, väljs Z-anslutna transformatorer, och viktiga parametrar för jordningstransformator måste sättas rimligt.

3.1 Beräkningskapacitet
Kapaciteten på primär sidan av jordningstransformatorn bör matcha kapaciteten hos bågutsläckarkolven. Baserat på standardbågutsläckarkolvkapacitetsgrader, rekommenderas att jordningstransformatorns kapacitet sätts till 1,05–1,15 gånger bågutsläckarkolvkapaciteten. Till exempel skulle en 200 kVA bågutsläckarkolv parras med en 215 kVA jordningstransformator.

3.2 Neutralpunktens kompensationsström
Den totala strömmen som flödar genom transformatorns neutralpunkt under en ensidig fel

I formeln ovan:

U är nätvoltaget (V);
Zx är bågutsläckarkolvens impedans (Ω);
Zd är jordningstransformatorns primära nollsekvensimpedans (Ω/fas);
Zs är systemimpedansen (Ω).

Varaktigheten av neutralpunktens kompensationsström bör vara densamma som bågutsläckarkolvens kontinuerliga drifttid, vilket specificeras som 2 timmar.

3.3 Nollsekvensimpedans
Nollsekvensimpedansen är en kritisk parameter för jordningstransformatorer och påverkar signifikant reläskyddsinriktningen för begränsning av ensidiga jordfelströmmar och överspänningar. För zick-zack (Z-typ) jordningstransformatorer utan sekundär spole samt de med stjärn-/öppen-deltakoppling finns det endast en impedans - nämligen nollsekvensimpedansen - vilket möjliggör att tillverkare uppfyller energiföretagens krav.

3.4 Förluster
Förluster är en viktig prestandaparameter för jordningstransformatorer. För jordningstransformatorer utrustade med en sekundär spole kan tomkörningsförlusterna göras ekvivalenta med en tvåspols transformator av samma storlek. När det gäller belastningsförluster, vid fullbelastning på sekundär sidan, bär primär sidan en relativt lätt belastning; därför är dess belastningsförlust lägre än för en tvåspols transformator med samma kapacitet på sekundär sidan.

3.5 Temperaturökning
Enligt nationella standarder regleras temperaturökningen för jordningstransformatorer som följer:

1. Temperaturökningen under nominell kontinuerlig ström skall följa bestämmelserna i den nationella standarden för allmänna strömförsörjningstransformatorer eller torrtransformatorer. Detta gäller främst jordningstransformatorer vars sekundära sida ofta är belastad.

2. När kortvarig belastningsström varar inte mer än 10 sekunder (ett scenario som vanligtvis inträffar när neutralpunkten är kopplad till en resistor), skall temperaturökningen följa gränserna som anges i den nationella standarden för strömförsörjningstransformatorer under kortslutssituationer.

3. När jordningstransformatoren fungerar tillsammans med en bågutsläckarkrets, skall dess temperaturökning följa temperaturökningens krav för bågutsläckarkretsen:

• För virvlar som konstant bär nominell ström, är temperaturökningen begränsad till 80 K. Detta gäller främst stjärn-/öppen-deltakopplade jordningstransformatorer.

• För virvlar med maximal strömduration på 2 timmar (som specificerats för nominell ström), är den tillåtna temperaturökningen 100 K. Denna situation motsvarar driftläget för de flesta jordningstransformatorer.

• För virvlar med maximal strömduration på 30 minuter, är den tillåtna temperaturökningen 120 K.

Dessa bestämmelser grundar sig i att säkerställa att under de mest hårda driftförhållanden, virvlarnas heta punkter ej överskrider 140 °C till 160 °C, vilket garanterar säker isolationsdrift och undviker en drastisk minskning av isoleringens livslängd.