Какви са разликите между заземващ трансформатор и обикновен трансформатор?
Какво е заземващ трансформатор?
Заземващ трансформатор, съкратено „заземващ трансформатор“, може да бъде класифициран като маслен и сух, в зависимост от използваната среда за пълнене; и като трифазен и единофазен заземващ трансформатор, в зависимост от броя на фазите.
Разлика между заземващи трансформатори и обикновени трансформатори
Целта на заземващия трансформатор е да създаде изкуствена нейтрална точка за свързване на дуговно гасеща спирала или резистор, когато системата е свързана в триъгълна (Δ) или звезда (Y) конфигурация без достъпна нейтрална точка. Такива трансформатори използват зигзаг (или „Z-тип“) връзки на обмотките. Ключовата разлика от обикновените трансформатори е, че всяка фазова обмотка е разделена на две групи, намотани в противоположни посоки на едно и също магнитно стъбло. Този дизайн позволява нулевата последователност на магнитния поток да протича през стъблата, докато в обикновените трансформатори, нулевата последователност на потока протича по утечни пътища.
Ето защо, нулевото импеданс на Z-типа заземващ трансформатор е много ниско (около 10 Ω), докато това на обикновен трансформатор е много по-високо. Според техническите регламенти, при използване на обикновен трансформатор за свързване на дуговно гасеща спирала, капацитетът на спиралата не трябва да надхвърля 20% от номиналния капацитет на трансформатора. В сравнение, Z-типа трансформатор може да носи дуговно гасеща спирала до 90%–100% от собствения си капацитет. Освен това, заземващите трансформатори могат да доставят вторични натоварвания и да служат като станционни трансформатори, което води до спестяване на инвестиции.
Принцип на действие на заземващите трансформатори
Заземващият трансформатор изкуствено създава нейтрална точка с заземващ резистор, който обикновено има много ниско съпротивление (обикновено се изисква да е под 5 ома). Освен това, поради своите електромагнитни характеристики, заземващият трансформатор представлява висок импеданс за положителна и отрицателна последователност на токове, позволявайки само малък възбудителен ток да протече в обмотките. На всяко магнитно стъбло, двата секции на обмотката са намотани в противоположни посоки. Когато равни нулеви последователности на токове протичат през тези обмотки на едно и също стъбло, те показват нисък импеданс, резултиращ в минимално нападне падане.
По време на заземяващо повреда, обмотките носят положителна, отрицателна и нулева последователност на токове. Обмотката представя висок импеданс за положителна и отрицателна последователност на токове, но нисък импеданс за нулева последователност, защото, в рамките на една и съща фаза, двете обмотки са свързани в поредност с противоположна полярност—техните индуцирани електромоторни сили са равни по големина, но обратни по посока, затова се компенсират взаимно.
Много заземващи трансформатори се използват единствено за осигуряване на ниско съпротивление нейтрална точка и не доставят никакво вторично натоварване; затова, много от тях са проектирани без вторична обмотка. По време на нормалната работа на мрежата, заземващият трансформатор работи практически в безнагрузково състояние. Но, по време на повреда, той носи повреден ток само за кратко време. В система с ниско съпротивление заземяване, когато се случи единофазна заземяваща повреда, високочувствителната нулева последователностна защита бързо идентифицира и временна изолира повредената линия.
Заземващият трансформатор е активен само в краткия интервал между възникването на повреда и действие на нулевата последователностна защита на линията. По време на този период, нулевата последователност на тока протича през нейтралния заземващ резистор и заземващия трансформатор, след формулата: IR = U / R₁, където U е фазното напрежение на системата, а R₁ е нейтралното заземяващо съпротивление.
Последици, когато дъгата не може надеждно да бъде изгасена
Прекъснато угасване и повторно запалване на единофазната дъга генерира дъгово-заземяващо пренапряжение с амплитуда, достигаща до 4U (където U е върховното фазно напрежение) или дори по-висока, продължаваща за продължително време. Това представлява сериозна заплаха за изолацията на електроустановките, причиняващи пробиви в слаби точки на изолацията и водещи до значителни загуби.
Постоянната дъга ионизира околната въздух, влошавайки неговите изолационни свойства и увеличавайки вероятността за фазно-фазно кратко свързване.
Могат да възникнат ферорезонансни пренапряжения, лесно повреждащи напреженчески трансформатори и ограничители на пренапряжения—дори да доведат до експлозия на ограничителите. Тези последици сериозно опасяват целостта на изолацията на мрежовите устройства и заплашват безопасната работа на цялата енергийна система.
Какви са положителната, отрицателната и нулевата последователности на токовете?
Отрицателна последователност на ток: Фаза A отстъпва Фаза B с 120°, Фаза B отстъпва Фаза C с 120°, а Фаза C отстъпва Фаза A с 120°.
Положителна последователност на ток: Фаза A предварява Фаза B с 120°, Фаза B предварява Фаза C с 120°, а Фаза C предварява Фаза A с 120°.
Нулева последователност на ток: Всички три фази (A, B, C) са в фаза—няма фаза, която предварява или отстъпва друга.
По време на трифазни краткосвързани повреди и нормална работа, системата съдържа само положителни компоненти.
По време на единофазни заземяващи повреди, системата съдържа положителни, отрицателни и нулеви компоненти.
По време на двухфазни краткосвързани повреди, системата съдържа положителни и отрицателни компоненти.
По време на двухфазни краткосвързани повреди до земята, системата съдържа положителни, отрицателни и нулеви компоненти.
Експлуатационни характеристики на заземващите трансформатори
Трансформатор заземления функционира при празна нагрузка в нормални условия на работа на мрежата и изпитва краткосрочен прекомерен ток при аварии. Накратко, функцията на трансформатора за заземяване е да създаде изкусствена нейтрална точка за свързване на резистор за заземяване. При фазно-нейтрално замыкание, той показва висока импеданса към положителните и отрицателните последователности на тока, но ниска импеданса към нулевата последователност, осигурявайки надеждна работа на защитата при фазно-нейтрално замыкание.
Заземяване на нейтралитета чрез системи с катушки за потушаване на дъги
Когато в мрежата се случи преходно фазно-нейтрално замыкание поради лоша изолация на оборудването, външни повреди, операторски грешки, вътрешни прехвърлящи напрежения или други причини, токът при фазно-нейтралното замыкание протича през катушката за потушаване на дъги като индуктивен ток, който е противоположен по посока на щепселния ток. Това може да намали тока в точката на повреда до много малка стойност или дори до нула, следователно изгасващ дъгата и елиминира съпътстващите опасности. Повредата се изчиства автоматично без да се активира релейната защита или изключвателя, значително подобрявайки надеждността на доставката на електроенергия.
Три режима на компенсация
Има три различни режима на компенсираща работа: недостатъчна компенсация, пълна компенсация и прекомерна компенсация.
Недостатъчна компенсация: Индуктивният ток след компенсацията е по-малък от щепселния ток.
Прекомерна компенсация: Индуктивният ток след компенсацията е по-голям от щепселния ток.
Пълна компенсация: Индуктивният ток след компенсацията е равен на щепселния ток.
Режим на компенсация, използван при заземяване на нейтралитета чрез системи с катушки за потушаване на дъги
В системите с заземяване на нейтралитета чрез катушка за потушаване на дъги, трябва да се избегне пълната компенсация. Независимо от големината на несъответствието на напрежението в системата, пълната компенсация може да предизвика сериозен резонанс, подлагайки катушката за потушаване на дъги на опасно високо напрежение. Затова в практиката се приема прекомерна или недостатъчна компенсация, като най-често се използва прекомерна компенсация.
Основни причини за приемане на прекомерна компенсация
В системите с недостатъчна компенсация, при аварии лесно могат да възникнат високи прекомерни напрежения. Например, ако част от линиите бъде откъснати поради авария или други причини, система с недостатъчна компенсация може да се придвижи към пълна компенсация, предизвиквайки сериозен резонанс и резултиращо в много високо напрежение на нейтралитета и прекомерно напрежение. Голямото разместване на нейтралитета в системи с недостатъчна компенсация заплашва целостта на изолацията - недостатък, който не може да бъде избегнат, докато се използва недостатъчна компенсация.
По време на нормалната работа на система с недостатъчна компенсация, при значително несъответствие между фазите, могат да възникнат високи ферромагнитни резонансни прекомерни напрежения. Този феномен произтича от ферромагнитния резонанс между недостатъчно компенсираната катушка за потушаване на дъги (където ωL > 1/(3ωC₀)) и щепселната капацитетна (3C₀). Такъв резонанс не се наблюдава при прекомерна компенсация.
Електроенергийните системи непрекъснато се разширяват, и капацитетът на мрежата към земята съответно се увеличава. С прекомерна компенсация, изначално инсталираната катушка за потушаване на дъги може да остане в употреба за известно време - дори ако в крайна сметка се придвижи към недостатъчна компенсация. Обаче, ако системата започне с недостатъчна компенсация, всяко разширение веднага изисква допълнителна компенсираща способност.
С прекомерна компенсация, токът, протичащ през точката на повреда, е индуктивен. След изгасването на дъгата, скоростта на възстановяване на напрежението на повредената фаза е по-бавна, което прави повторното запалване на дъгата по-малко вероятно.
При прекомерна компенсация, намаление на честотата на системата само временни увеличава степента на прекомерна компенсация, което не представлява проблем по време на нормална работа. От друга страна, недостатъчна компенсация в комбинация с намалена честота може да придвижи системата към пълна компенсация, водейки до увеличено напрежение на нейтралитета.
Резюме
Трансформаторът за заземяване функционира също като трансформатор за обслужване на станцията, понижавайки напрежението от 35 кВ до 380 В ниско напрежение, за доставка на енергия за зареждане на батерии, вентилатори на SVG, светлината за поддръжка и общи помагални нагласи на станцията.
В съвременните электроенергийни мрежи, кабелите широко заменят въздушните линии. Тъй като единичният щепселен ток при фазно-нейтрално замыкание на кабелните линии е много по-голям от този на въздушните линии, заземяването на нейтралитета чрез катушки за потушаване на дъги често не успява да изгаси дъгата на повредата и да потуши опасните резонансни прекомерни напрежения. Затова нашата подстанция използва схема за заземяване на нейтралитета с ниско съпротивление. Този подход е подобен на системите с твърдо заземен нейтралитет и изисква инсталиране на защита срещу единични фазни замыкания, която работи за изключване на изключватели. При настъпване на единично фазно-нейтрално замыкание, дефектната линия бързо се изолира.
