Hvad er forskellen mellem en jordetransformator og en konventionel transformator?

Hvad er en jordtransformator?

En jordtransformator, forkortet "jordtransformator," kan inddeles i oliefyldt og tørt type efter fyldemidlet; og i trefasede og enefasede jordtransformatorer efter antallet af faser.

Forskelle mellem jordtransformatorer og konventionelle transformatorer

Formålet med en jordtransformator er at oprette et kunstigt nulpunkt for at tilslutte en bueundertrykkelsesspiral eller resistor, når systemet er forbundet i delta (Δ) eller stjerne (Y) konfiguration uden et tilgængeligt nulpunkt. Sådanne transformatorer bruger zigzag (eller "Z-type") vindingsforbindelser. Den vigtigste forskel fra konventionelle transformatorer er, at hver fasevinding er delt i to grupper, der er vindet i modsat retning på samme magnetiske kjerneben. Dette design gør det muligt for nulsekvensmagnetisk flux at strømme gennem kernebenene, mens i konventionelle transformatorer nulsekvensfluxen bevæger sig langs leckageveje. 

Derfor er nulsekvensimpedancen for en Z-type jordtransformator meget lav (omkring 10 Ω), mens den for en konventionel transformator er meget højere. Ifølge tekniske regler, når man bruger en konventionel transformator til at tilslutte en bueundertrykkelsesspiral, må spiralets kapacitet ikke overstige 20% af transformatorens nominale kapacitet. I modsætning hertil kan en Z-type transformator bäre en bueundertrykkelsesspiral på 90%–100% af sin egen kapacitet. Desuden kan jordtransformatorer forsyne sekundære belastninger og fungere som stationstransformatorer, hvilket resulterer i besparelser på investeringsomkostningerne.

Arbejdsmåde for jordtransformatorer

En jordtransformator opretter kunstigt et nulpunkt med en jordresistor, der typisk har en meget lav resistans (generelt kræves det, at den er mindre end 5 ohm). Desuden præsenterer jordtransformatoren høj impedans for positiv- og negativsekvensstrømme, hvilket kun tillader, at en lille anspændningsstrøm løber i vindingerne. På hvert kerneben er de to vindingssektioner vindet i modsat retning. Når lige store nulsekvensstrømme løber gennem disse vindinger på samme ben, viser de lav impedans, hvilket resulterer i minimal spændingsfald. 

Ved en jordfejl bærer vindingerne positiv-, negativ- og nulsekvensstrømme. Vindingen præsenterer høj impedans for positiv- og negativsekvensstrømme, men lav impedans for nulsekvensstrøm, fordi, inden for samme fase, er de to vindinger forbundet i serie med modsat polaritet—deres inducerede elektromotoriske kraft er lige store, men modsatte i retning, så de udligner hinanden.

Mange jordtransformatorer bruges udelukkende til at give et lav-resistans nulpunkt og leverer ingen sekundær belastning; derfor er mange designet uden en sekundær vinding. Under normal netdrift fungerer jordtransformatoren næsten uden belastning. Men under en fejl bærer den kun fejlstrøm for en kort varighed. I et lav-resistans jordet system, når en enefase jordfejl opstår, identificerer og isolerer en høj-sensitiv nulsekvensbeskyttelse hurtigt og midlertidigt den defekte feeder. 

Jordtransformatoren er aktiv kun i den korte periode mellem fejlforekomst og drift af feeders nulsekvensbeskyttelse. Under denne tid løber nulsekvensstrøm gennem det neutrale jordresistoren og jordtransformator, ifølge formelen: IR = U / R₁, hvor U er systemets fasespænding og R₁ er det neutrale jordresistans.

Konsekvenser, når bue ikke kan udslukkes pålideligt

• Intermitterende udslukning og genoplysning af den enefase jordbue genererer buedefekts-overspændinger med amplituder, der når op til 4U (hvor U er topfasespændingen) eller endda højere, og dette vedvarer i lang tid. Dette indebærer alvorlige trusler mod isoleringen af elektriske anlæg, potentielt årsager breakdowns ved svage isoleringspunkter og fører til betydelige tab.

• Varig buelys ioniserer omgivende luft, nedgraderer dens isolerende egenskaber og øger sandsynligheden for fase-fase kortslutninger.

• Ferroresonante overspændinger kan forekomme, let skader spændingstransformatorer og lynovergangsbegyndere—potentielt kan det endda føre til eksplosion af begyndere. Disse konsekvenser truer alvorligt integriteten af nettets isolering og sikker driften af hele strømsystemet.

Hvad er positive-, negative- og nulsekvensstrømme?

• Negativsekvensstrøm: Fase A er bagudfaset i forhold til Fase B med 120°, Fase B er bagudfaset i forhold til Fase C med 120°, og Fase C er bagudfaset i forhold til Fase A med 120°.

• Positivsekvensstrøm: Fase A er forudfaset i forhold til Fase B med 120°, Fase B er forudfaset i forhold til Fase C med 120°, og Fase C er forudfaset i forhold til Fase A med 120°.

• Nulsekvensstrøm: Alle tre faser (A, B, C) er i fase—ingen fase er forud- eller bagudfaset i forhold til de andre.

Under trefase kortslutningsfejl og normal drift indeholder systemet kun positive-sekvenskomponenter.
Under enefase jordfejl indeholder systemet positive-, negative- og nulsekvenskomponenter.
Under tofase kortslutningsfejl indeholder systemet positive- og negative-sekvenskomponenter.
Under tofase-jord kortslutningsfejl indeholder systemet positive-, negative- og nulsekvenskomponenter.

Driftsegenskaber for jordtransformatorer

Jordningstransformatoren fungerer under tomkørsel under normale driftsbetingelser for strømnettet og oplever kortvarig overbelastning under fejl. Sammenfattet er funktionen af en jordningstransformator at skabe et kunstigt nulpunkt til forbindelse af en jordningsmodstand. Under en jordfejl viser den høj impedans for positiv- og negativsekvensstrøm, men lav impedans for nulsekvensstrøm, hvilket sikrer pålidelig drift af jordfejlbeskyttelse.

Nuljordning via buelukningsdempningsbobinsystemer

Når der opstår en midlertidig énfasjordfejl i strømnettet på grund af dårlig udstyrisolering, eksterne skader, operatørfejl, interne overspanninger eller andre årsager, løber jordfejlstrømmen gennem buelukningsdempningsbobinen som induktiv strøm, som er modsat rettet i forhold til kapacitiv strøm. Dette kan reducere strømmen ved fejlstedet til en meget lille værdi eller endda nul, hvilket slukker bue og eliminerer de associerede farer. Fejlen ryddes automatisk uden at udløse relæbeskyttelse eller kredsløbsbrydertræk, hvilket betydeligt forbedrer strømforsyningspålideligheden.

Tre kompensationsdrifttilstande

Der er tre forskellige kompensationsdrifttilstande: underkompensation, fuldkompensation og overkompensation.

• Underkompensation: Den induktive strøm efter kompensation er mindre end den kapacitive strøm.

• Overkompensation: Den induktive strøm efter kompensation er større end den kapacitive strøm.

• Fuldkompensation: Den induktive strøm efter kompensation er lig med den kapacitive strøm.

Kompensationsmode anvendt i nuljordning via buelukningsdempningsbobinsystemer

I systemer med nuljordning gennem en buelukningsdempningsbobin skal fuldkompensation undgås. Uanset størrelsen af systemets ubalancerende spænding kan fuldkompensation føre til serie-resonans, hvilket udsætter buelukningsdempningsbobinen for farligt høje spændinger. Derfor anvendes overkompensation eller underkompensation i praksis, hvor overkompensation er den mest anvendte mode.

Hovedårsager for anvendelse af overkompensation

I underkompenserede systemer kan høje overspændinger let opstå under fejl. For eksempel, hvis dele af ledningen afbrydes på grund af en fejl eller andre årsager, kan et underkompenseret system skifte mod fuldkompensation, hvilket fører til serie-resonans og resulterer i meget høje nulskubspændinger og overspændinger. Stort nulskub i underkompenserede systemer truer også isolationsintegriteten - en ulempe, der ikke kan undgås, så længe underkompensation anvendes.

Under normal drift af et underkompenseret system med betydelig trefas ubalance kan meget høje ferromagnetiske resonansoverspændinger opstå. Dette fænomen opstår fra ferromagnetisk resonans mellem den underkompenseret buelukningsdempningsbobin (hvor ωL > 1/(3ωC₀)) og linjekapacitancen (3C₀). Sådan resonans opstår ikke med overkompensation.

Strømsystemer udvides kontinuerligt, og netværkets kapacitance til jorden øges dermed. Med overkompensation kan den oprindelige installerede buelukningsdempningsbobin forblive i tjeneste i en periode - selvom den sidst ender med at skifte mod underkompensation. Hvis systemet starter med underkompensation, kræver enhver udvidelse øjeblikkelig yderligere kompensationskapacitet.

Med overkompensation er strømmen, der løber gennem fejlstedet, induktiv. Efter bueudslukning er genoprettelseshastigheden for fejlfarespændingen langsommere, hvilket gør det mindre sandsynligt, at bue genopstår.

Under overkompensation fører en nedgang i systemfrekvensen kun til en midlertidig øgning i graden af overkompensation, hvilket ikke er problem under normal drift. Omvendt kan underkompensation kombineret med reduceret frekvens bringe systemet tættere på fuldkompensation, hvilket fører til øget nulskubspænding.

Sammenfatning

Jordningstransformatoren fungerer også som en stationservice-transformator, der sænker 35 kV spænding til 380 V lavspænding for at forsyne strøm til batteriladning, SVG ventilatorstrøm, vedligeholdelsesbelysning og generelle stationshjælpelast.

I moderne strømnet er kabler bredt erstatter overhedeledninger. Da den enefase kapacitive jordfejlstrøm for kabellinjer er meget større end for overhedeledninger, mislykkes nuljordning via buelukningsdempningsbobiner ofte med at slukke fejluen og dæmpe farlige resonansoverspændinger. Derfor anvender vores anlæg en lavmodstands nuljordningsskema. Denne metode ligner solidt jordede nulsystemer og kræver installation af enéfas jordfejlbeskyttelse, der virker til at udløse kredsløbsbrydere. Når en enefase jordfejl opstår, isoleres den fejlende feeder hurtigt.