Jaké jsou rozdíly mezi zazemňovacím transformátorem a běžným transformátorem?

Co je transformátor zemnící?

Transformátor zemnící, zkráceně "zemnící transformátor", lze podle výplně rozdělit na mazové a suché typy; a podle počtu fází na třífázové a jednofázové zemnicí transformátory.

Rozdíl mezi zemnicími transformátory a běžnými transformátory

Cílem zemnicího transformátoru je vytvořit umělý neutrální bod pro připojení tlumiče oblouku nebo odporníku, když systém není připojen s dostupným neutrálním bodem (Δ nebo Y konfigurace). Tento typ transformátorů používá cikcak (nebo "Z-typ") spojení vinutí. Klíčový rozdíl od běžných transformátorů spočívá v tom, že každé fázové vinutí je rozděleno do dvou skupin navinutých opačnými směry na stejném magnetickém nožce. Toto uspořádání umožňuje nulovému sekvenciálnímu magnetickému toku protéct přes nožce, zatímco u běžných transformátorů nulový sekvenciální tok probíhá po únikových cestách. 

Proto je nulový sekvenciální impedance Z-typu zemnicího transformátoru velmi nízká (asi 10 Ω), zatímco u běžného transformátoru je mnohem vyšší. Podle technických předpisů, když se používá běžný transformátor pro připojení tlumiče oblouku, nesmí kapacita tohoto tlumiče překročit 20 % nominální kapacity transformátoru. Naopak Z-typ transformátor může nést tlumič oblouku až 90%–100% své vlastní kapacity. Kromě toho mohou zemnicí transformátory dodávat sekundární zatížení a sloužit jako stanice servisních transformátorů, čímž dochází ke snížení investičních nákladů.

Princip fungování zemnicích transformátorů

Zemnicí transformátor uměle vytváří neutrální bod s zemnícím odporníkem, který obvykle má velmi nízkou odpor (obecně se vyžaduje méně než 5 ohmů). Díky svým elektromagnetickým vlastnostem prezentuje zemnicí transformátor vysokou impedanci k pozitivním a negativním sekvenciálním proudům, umožňující průtah pouze malého buzeného proudu v vinutí. Na každém nožci jsou dvě části vinutí navinuty opačnými směry. Když rovnocenné nulové sekvenciální proudy protékají těmito vinutími na stejném nožci, ukazují nízkou impedanci, což vede k minimálnímu spádu napětí. 

Během zemní chyby vinutí nesou pozitivní, negativní a nulové sekvenciální proudy. Vinutí prezentuje vysokou impedanci k pozitivním a negativním sekvenciálním proudům, ale nízkou impedanci k nulovému sekvenciálnímu proudu, protože uvnitř stejné fáze jsou dvě vinutí sériově spojena s opačnou polaritou—jejich indukované elektrické síly jsou stejné v hodnotě, ale opačné ve směru, takže se vzájemně ruší.

Mnoho zemnicích transformátorů se používá pouze k poskytnutí nízkoodporného neutrálního bodu a nedodává žádné sekundární zatížení; proto jsou mnohé navrženy bez sekundárního vinutí. Během normálného provozu sítě pracuje zemnicí transformátor prakticky v stavu bez zatížení. V případě vzniku chyby však krátce nese chybové proudy. V systému s nízkoodporným zemnícím, kdy dojde k jednofázové zemní chybě, velmi citlivá nulová sekvenciální ochrana rychle identifikuje a dočasně izoluje vadnou vývodovou linku. 

Zemnicí transformátor je aktivní pouze krátkou dobu mezi vznikem chyby a zapnutím nulové sekvenciální ochrany vývodové linky. Během této doby nulový sekvenciální proud protéká neutrálním zemnícím odporníkem a zemnicím transformátorem, podle vzorce: IR = U / R₁, kde U je fázové napětí systému a R₁ je neutrální zemnící odpor.

Důsledky, když nelze spolehlivě zhasnout zemní oblouk

• Intermitentní zhasnutí a znovuzapnutí jednofázového zemního oblouku generuje nadnapětí zemního oblouku s amplitudou dosahující až 4U (kde U je vrcholové fázové napětí) nebo i vyšší, trvající dlouhou dobu. To představuje vážné hrozby pro izolaci elektrického zařízení, může způsobit poruchy na slabých místech izolace a vést k významným ztrátám.

• Trvalé hoření obloukem ionizuje okolní vzduch, zhoršuje jeho izolační vlastnosti a zvyšuje pravděpodobnost mezfázových krátkých spojení.

• Mohou se vyskytnout ferrorezonanční nadnapětí, která snadno poškozují napěťové transformátory a ochranné přepínáče—potenciálně dokonce vedou k explózím ochranných přepínáčů. Tyto důsledky vážně ohrožují integritu izolace síťového zařízení a hrozí bezpečnému provozu celého elektrického systému.

Co jsou pozitivní, negativní a nulové sekvenciální proudy?

• Negativní sekvenciální proud: Fáze A je o 120° pozadu oproti fázi B, fáze B je o 120° pozadu oproti fázi C a fáze C je o 120° pozadu oproti fázi A.

• Pozitivní sekvenciální proud: Fáze A je o 120° před fázi B, fáze B je o 120° před fázi C a fáze C je o 120° před fázi A.

• Nulový sekvenciální proud: Všechny tři fáze (A, B, C) jsou v fázi—žádná fáze není před nebo pozadu oproti druhé.

Během třífázových krátkých spojení a běžného provozu obsahuje systém pouze pozitivní komponenty.
Během jednofázových zemních chyb obsahuje systém pozitivní, negativní a nulové komponenty.
Během dvoufázových krátkých spojení obsahuje systém pozitivní a negativní komponenty.
Během dvoufázových krátkých spojení na zem obsahuje systém pozitivní, negativní a nulové komponenty.

Provozní charakteristiky zemnicích transformátorů

Při normálním chodu sítě transformátor zazemňovací pracuje bez zátěže a za výpadků prochází krátkodobým přetížením. Shrněno lze říci, že funkce transformátoru zazemňovacího spočívá v umělém vytvoření neutrálního bodu pro připojení zazemňovacího odporu. Během výpadku fáze na zem tento transformátor nabývá vysoké impedancí pro kladnou a zápornou posloupnost proudů, ale nízké impedancí pro nulovou posloupnost proudu, což zajišťuje spolehlivou funkci ochrany proti výpadkům fáze na zem.

Zazemňování neutrálu pomocí systémů s duhovými cvekny

Když dojde k přechodnému jednofázovému výpadku fáze na zem v důsledku špatné izolace zařízení, vnější poškození, operátorské chyby, interního přepětí nebo jakékoli jiné příčiny, proud výpadku fáze na zem prochází duhovým cvičkem jako induktivní proud, který je opačný vzhledem k kapacitnímu proudu. Tím se může snížit proud v místě výpadku na velmi malou hodnotu nebo dokonce na nulu, čímž dojde k uhasení oblouku a eliminaci souvisejících rizik. Výpadek se vyřeší automaticky, aniž by se spustila relé ochrana nebo skočilo spínací přístroje, což značně zlepšuje spolehlivost dodávky elektrické energie.

Tři režimy kompenzace

Existují tři různé režimy kompenzace: nedokompenzace, plná kompenzace a předkompenzace.

• Nedokompenzace: Induktivní proud po kompenzaci je menší než kapacitní proud.

• Předkompenzace: Induktivní proud po kompenzaci je větší než kapacitní proud.

• Plná kompenzace: Induktivní proud po kompenzaci je roven kapacitnímu proudu.

Režim kompenzace používaný v systémech s zazemňováním neutrálu pomocí duhových cveknů

V systémech s zazemňováním neutrálu pomocí duhových cveknů musí být plná kompenzace vyhnutí. Bez ohledu na velikost nerovnováhy napětí v systému může plná kompenzace způsobit sériovou rezonanci, což vystaví duhový cviček nebezpečně vysokému napětí. Proto se v praxi používá předkompenzace nebo nedokompenzace, přičemž nejčastěji se používá předkompenzace.

Hlavní důvody pro použití předkompenzace

V systémech s nedokompenzací mohou během výpadků snadno vzniknout vysoká přepětí. Například, pokud jsou část link vypnuté kvůli výpadku nebo jinému důvodu, systém s nedokompenzací se může posunout směrem k plné kompenzaci, což způsobí sériovou rezonanci a výsledkem toho bude velmi vysoké posunutí neutrále a přepětí. Velké posunutí neutrále v systémech s nedokompenzací hrozí také integritě izolace – tento nedostatek nelze vyhnout, pokud se používá nedokompenzace.

Během normálního chodu systému s nedokompenzací a výraznou nerovnováhou mezi fázemi mohou vzniknout velmi vysoká ferromagnetická rezonanční přepětí. Tento jev vzniká z feromagnetické rezonance mezi nedokompenzovaným duhovým cvičkem (kde ωL > 1/(3ωC₀)) a kapacitou linky (3C₀). Tato rezonance není možná s předkompenzací.

Energetické systémy se neustále rozšiřují a kapacita sítě k zemi se tímto zvyšuje. S předkompenzací může původně instalovaný duhový cviček zůstat ve službě nějakou dobu – i když nakonec může přejít k nedokompenzaci. Pokud však systém začíná s nedokompenzací, jakákoli expanze okamžitě vyžaduje další kapacitu kompenzace.

S předkompenzací je proud procházející místem výpadku induktivní. Po uhasení oblouku je obnova napětí v chybné fázi pomalejší, což snižuje pravděpodobnost znovuzapálení oblouku.

Při předkompenzaci snížení frekvence systému pouze dočasně zvyšuje stupeň předkompenzace, což při normálním chodu není problém. Naopak, kombinace nedokompenzace a snížené frekvence může přiblížit systém k plné kompenzaci, což vedlo by ke zvýšení posunutí neutrále.

Shrnutí

Transformátor zazemňovací slouží také jako transformátor stanice, kde snižuje napětí 35 kV na nízké napětí 380 V pro zásobování elektřinou pro nabíjení baterií, ventilátorů SVG, údržbového osvětlení a dalších pomocných zatížení stanice.

V moderních elektrických sítích se kabely často nahrazují visutými linkami. Protože jednofázový kapacitní proud výpadku fáze na zem u kabelových linek je mnohem větší než u visutých linek, zazemňování neutrálu pomocí duhových cveknů často selhává v uhašení výpadkového oblouku a potlačení nebezpečných rezonančních přepětí. Proto naše podstata používá schéma zazemňování s nízkým odporom. Tento přístup je podobný pevně zazemněným systémům a vyžaduje instalaci ochrany proti jednofázovému výpadku fáze na zem, která aktivuje skočení spínacího přístroje. Při výskytu jednofázového výpadku fáze na zem se vadná vedení rychle izolují.