Методи з’єднання та параметри заземлюючих трансформаторів
Конфігурації витків заземлюючого трансформатора
Заземлюючі трансформатори розподіляються за типом з'єднання витків на два типи: ZNyn (зигзаг) або YNd. Їх нейтральні точки можуть бути підключені до дугогасного котушки або заземлюючого резистора. На сьогоднішній день більш поширено використовуються зигзаго-видні (Z-тип) заземлюючі трансформатори, які підключаються через дугогасну котушку або низькоомний резистор.
1. Заземлюючий трансформатор Z-типу
Трансформатори Z-типу можуть бути как маслонаповнені, так и сухими ізоляційними версіями. Серед них, заливані смолою є типом сухої ізоляції. Конструктивно вони подібні до стандартного трьохфазного серцевого силового трансформатора, за винятком того, що на кожному фазовому стержні виток розділяється на дві рівні частини - верхню і нижню. Кінець однієї частини підключений в ряд з протилежною полярністю до кінця витка іншої фази.
Два відрізки витків мають протилежні полярності, формуючи нову фазу у зигзаго-видному конфігурації. Початкові кінці верхніх витків — U1, V1, W1 — виводяться і підключаються до трьохфазних ліній живлення A, B і C відповідно. Початкові кінці нижніх витків — U2, V2, W2 — з'єднуються разом, формуючи нейтральну точку, яка потім підключається до заземлюючого резистора або дугогасної котушки, як показано на малюнку. В залежності від конкретного способу підключення, трансформатори Z-типу поділяються на конфігурації ZNvn1 і ZNyn11.
Трансформатори Z-типу також можуть бути оснащені низьковольтним витком, який зазвичай підключений в зірку з заземленою нейтральною точкою (yn), що дозволяє їм використовуватися як трансформатори для станційського живлення.
2. Трансформатор Z-типу
Переваги зигзаго-видного з'єднання трансформаторів Z-типу:
При однофазному короткому замиканні струм заземлення розподіляється приблизно рівномірно між трьома фазовими витками. Магнітодвижучі сили (МДС) двох витків на кожному серцевому стержні направлені в протилежні сторони, тому немає демпфуючого ефекту, що дозволяє струму вільно проходити від нейтральної точки до аварійної лінії.
У фазовому напругу немає третього гармонічного компонента, оскільки у зигзаго-видному з'єднанні три-однофазного банку трансформаторів, треті гармоніки мають однакову величину і напрям як вектори. Через розташування витків, треті гармонічні електродвигуча сила в кожній фазі взаємно компенсуються, що призводить до практично синусоїдальної фазової напруги.
У трансформаторі Z-типу нуль-послідовні струми в двох половинних витках на одному серцевому стержні текуть в протилежних напрямках; отже, нуль-послідовне реактивне опір дуже низький, і він не гасить нуль-послідовний струм. Принцип його низького нуль-послідовного імпедансу полягає в наступному: на кожному з трьох серцевих стержнів заземлюючого трансформатора є два витки з рівною кількістю витків, кожен з яких підключений до різних фазових напруг.
При застосуванні збалансованої позитивної або негативної послідовності трьохфазних напруг до лінійних кінців заземлюючого трансформатора, МДС на кожному серцевому стержні є векторною сумою МДС від двох витків, підключених до різних фаз. Результативні МДС на окремих серцевих стержнях зміщенні на 120°, формуючи збалансовану трьохфазну систему. Однофазна МДС може створити магнітний контур через всі три серцеві стержні, що призводить до низького магнітного опору, великого магнітного потоку, високої викликаної ЕДС, і, таким чином, дуже високого магнітного імпедансу.
Однак, коли до трьохфазних лінійних кінців застосовується нуль-послідовна напруга, МДС, створені двома витками на кожному серцевому стержні, мають однакову величину, але протилежні напрямки, що призводить до нульової загальної МДС на кожному стержні — отже, нуль-послідовна МДС не існує в трьох серцевих стержнях. Нуль-послідовна МДС може завершити свій шлях лише через корпус і оточуючу середу, що представляє дуже високий магнітний опір; в результаті, нуль-послідовна МДС дуже мала, що призводить до дуже низького нуль-послідовного імпедансу.
3. Параметри заземлюючого трансформатора
Для задоволення вимог розподільних мереж, які використовують дугогасну котушку для компенсації заземлення, а також для задоволення потреб станційських навантажень у живленні і освітленні на підстанціях, обираються Z-з'єднані трансформатори, і ключові параметри заземлюючого трансформатора повинні бути раціонально встановлені.
3.1 Номінальна потужність
Потужність первинної сторони заземлюючого трансформатора повинна відповідати потужності дугогасної котушки. На основі стандартних рейтингів потужності дугогасної котушки, рекомендується, щоб потужність заземлюючого трансформатора була встановлена в 1,05–1,15 разів більшою, ніж потужність дугогасної котушки. Наприклад, 200 кВА дугогасна котушка буде спарена з 215 кВА заземлюючим трансформатором.
3.2 Компенсаційний струм нейтральної точки
Загальний струм, що пройшов через нейтральну точку трансформатора під час однофазної аварії
У вищезазначеній формулі:
U — лінійне напруга розподільної мережі (В);
Zx — імпеданс дугогасної котушки (Ом);
Zd — первинний нуль-послідовний імпеданс заземлюючого трансформатора (Ом/фаза);
Zs — імпеданс системи (Ом).
Тривалість компенсаційного струму нейтральної точки повинна бути такою ж, як і тривалість безперервної роботи дугогасної котушки, яка встановлена на 2 години.
3.3 Нульова послідовна імпеданс
Нульова послідовна імпеданс є критичним параметром заземлювального трансформатора і значно впливає на налаштування реле захисту для обмеження струму однофазного заземлення та пригнічення перевищень напруги. Для зигзаго подібних (Z-тип) заземлювальних трансформаторів без вторинної обмотки, а також тих, які мають з'єднання зірка/відкрите трикутник, існує лише одна імпеданс - нульова послідовна імпеданс, що дозволяє виробникам задовольняти вимоги енергетичних компаній.
3.4 Втрати
Втрати є важливим параметром продуктивності заземлювальних трансформаторів. Для заземлювальних трансформаторів, оснащених вторинною обмоткою, безнавантажені втрати можна зробити еквівалентними до втрат двообмоткового трансформатора того ж класу. Щодо втрат під навантаженням, коли вторинна сторона працює на повне навантаження, первинна сторона несе відносно легке навантаження; таким чином, його втрати під навантаженням нижчі, ніж у двообмоткового трансформатора з такою ж вторинною спроможністю.
3.5 Підвищення температури
Згідно з національними стандартами, підвищення температури заземлювальних трансформаторів регулюється наступним чином:
Підвищення температури при номінальному постійному струмі має відповідати положенням національного стандарту для загальних електроенергетичних трансформаторів або сухих трансформаторів. Це в основному стосується заземлювальних трансформаторів, вторинна сторона яких часто завантажена.
Коли короткочасний струм навантаження триває не більше 10 секунд (сценарій, який типово відбувається, коли нейтральна точка з'єднана з резистором), підвищення температури має відповідати межам, визначеним національним стандартом для електроенергетичних трансформаторів у режимі короткого замикання.
Коли заземлювальний трансформатор працює разом з кілком гасіння дуг, його підвищення температури має відповідати вимогам до підвищення температури для кілка гасіння дуг:
Для обмоток, які постійно несуть номінальний струм, підвищення температури обмежено до 80 К. Це в основному стосується заземлювальних трансформаторів, які мають з'єднання зірка/відкрите трикутник.
Для обмоток, максимальна тривалість струму яких становить 2 години (як вказано для номінального струму), дозволене підвищення температури становить 100 К. Ця умова відповідає режиму роботи більшості заземлювальних трансформаторів.
Для обмоток, максимальна тривалість струму яких становить 30 хвилин, дозволене підвищення температури становить 120 К.
Ці положення базуються на забезпеченні того, що при найбільш складних умовах роботи, температура гарячих точок обмоток не перевищує 140 °C до 160 °C, що гарантує безпечну роботу ізоляції та уникнення серйозного зниження терміну служби ізоляції.
