چه تفاوت‌هایی بین یک ترانسفورماتور زمین‌بندی و یک ترانسفورماتور معمولی وجود دارد

چه چیزی ترانسفورماتور زمین‌گذاری است؟

ترانسفورماتور زمین‌گذاری که به اختصار "ترانسفورماتور زمین‌گذاری" نامیده می‌شود، بر اساس محیط پرکننده به دو نوع نفتی و خشک تقسیم‌بندی می‌شود؛ و بر اساس تعداد فازها به ترانسفورماتورهای سه‌فازی و تک‌فازی تقسیم‌بندی می‌شود.

تفاوت بین ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری و ترانسفورماتورهای معمولی

هدف ترانسفورماتور زمین‌گذاری ایجاد یک نقطه محاوره مصنوعی برای اتصال یک کاتуш خنثی‌ساز یا مقاومت در زمانی است که سیستم در حالت دلتا (Δ) یا ستاره (Y) بدون نقطه محاوره قابل دسترسی باشد. این ترانسفورماتورها از اتصالات پیچشی (یا "Z-نوع") استفاده می‌کنند. تفاوت کلیدی آنها با ترانسفورماتورهای معمولی این است که هر پیچش فاز به دو گروه تقسیم می‌شود که در جهت‌های مخالف روی همان شاخه هسته مغناطیسی پیچیده می‌شوند. این طراحی اجازه می‌دهد تا جریان مغناطیسی دنباله صفر از طریق شاخه‌های هسته جریان یابد، در حالی که در ترانسفورماتورهای معمولی، جریان مغناطیسی دنباله صفر از طریق مسیرهای لکه‌ای حرکت می‌کند. 

بنابراین، امپدانس دنباله صفر یک ترانسفورماتور Z-نوع بسیار کم (حدود ۱۰ اهم) است، در حالی که در یک ترانسفورماتور معمولی بسیار بالاتر است. بر اساس مقررات فنی، وقتی از یک ترانسفورماتور معمولی برای اتصال یک کاتوش خنثی‌ساز استفاده می‌شود، ظرفیت کاتوش نباید بیش از ۲۰٪ ظرفیت اسمی ترانسفورماتور باشد. در مقابل، یک ترانسفورماتور Z-نوع می‌تواند یک کاتوش خنثی‌ساز را با ظرفیت ۹۰٪–۱۰۰٪ از ظرفیت خود منتقل کند. علاوه بر این، ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری می‌توانند بارهای ثانویه را تأمین کنند و به عنوان ترانسفورماتورهای خدمات ایستگاه عمل کنند، بنابراین هزینه‌های سرمایه‌گذاری را صرفه‌جویی می‌کنند.

اصول کار ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری

ترانسفورماتور زمین‌گذاری یک نقطه محاوره مصنوعی با یک مقاومت زمین‌گذاری ایجاد می‌کند که معمولاً مقاومت بسیار کمی دارد (معمولاً کمتر از ۵ اهم مورد نیاز است). علاوه بر این، به دلیل ویژگی‌های الکترومغناطیسی خود، ترانسفورماتور زمین‌گذاری امپدانس بالایی برای جریان‌های دنباله مثبت و منفی ارائه می‌دهد و فقط یک جریان تحریک کوچک در پیچش‌ها جریان می‌یابد. روی هر شاخه هسته، دو بخش پیچش در جهت‌های مخالف پیچیده می‌شوند. وقتی جریان‌های دنباله صفر مساوی از طریق این پیچش‌ها روی همان شاخه جریان می‌یابند، امپدانس کمی نشان می‌دهند و ولتاژ رها شده کم است. 

در زمان خطا در زمین، پیچش‌ها جریان‌های دنباله مثبت، منفی و صفر را منتقل می‌کنند. پیچش امپدانس بالایی برای جریان‌های دنباله مثبت و منفی ارائه می‌دهد، اما امپدانس کمی برای جریان دنباله صفر ارائه می‌دهد زیرا در همان فاز، دو پیچش به صورت سری با قطبیت‌های مخالف متصل می‌شوند—نیروهای الکتروموتوری القایی آنها از نظر اندازه مساوی هستند اما در جهت مخالف هستند، بنابراین یکدیگر را خنثی می‌کنند.

بسیاری از ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری تنها برای ارائه یک نقطه محاوره با مقاومت کم استفاده می‌شوند و هیچ بار ثانویه‌ای تأمین نمی‌کنند؛ بنابراین بسیاری از آنها بدون پیچش ثانویه طراحی شده‌اند. در حین عملیات عادی شبکه، ترانسفورماتور زمین‌گذاری عملاً در حالت بدون بار کار می‌کند. اما در زمان خطا، فقط برای مدت کوتاهی جریان خطا را منتقل می‌کند. در یک سیستم زمین‌گذاری با مقاومت کم، وقتی یک خطا تک‌فازی در زمین رخ می‌دهد، محافظی با حساسیت بالا دنباله صفر خطا را به سرعت تشخیص می‌دهد و به طور موقت خط خطا را جدا می‌کند. 

ترانسفورماتور زمین‌گذاری فقط در بازه کوتاه بین رخداد خطا و عملکرد محافظ دنباله صفر خط فعال است. در این زمان، جریان دنباله صفر از طریق مقاومت زمین‌گذاری محاوره و ترانسفورماتور زمین‌گذاری جریان می‌یابد، بر اساس فرمول: IR = U / R₁، که در آن U ولتاژ فاز سیستم و R₁ مقاومت زمین‌گذاری محاوره است.

پیامدهای عدم خاموش شدن قابل اعتماد قوس زمین‌گذاری

• خاموش شدن متناوب و روشن شدن مجدد قوس تک‌فازی در زمین، ولتاژهای بیش از حد قوس-زمین با دامنه‌ای به ۴U (که U ولتاژ فازی است) یا حتی بیشتر تولید می‌کند که برای مدت طولانی به طول می‌انجامد. این موضوع تهدیدات جدی برای عایق‌بندی تجهیزات الکتریکی ایجاد می‌کند و می‌تواند به شکست در نقاط ضعیف عایق‌بندی منجر شود و به خسارات بزرگی منجر شود.

• قوس پایدار یون‌سازی هوا را افزایش می‌دهد و خصوصیات عایق‌بندی آن را کاهش می‌دهد و احتمال قطع بین فاز‌ها را افزایش می‌دهد.

• ولتاژهای بیش از حد فرورزونانس ممکن است رخ دهد که به راحتی ترانسفورماتورهای ولتاژ و محدودکننده‌های ولتاژ را خراب می‌کند—حتی می‌تواند منجر به انفجار محدودکننده‌های ولتاژ شود. این پیامدها عایق‌بندی تجهیزات شبکه را به شدت به خطر می‌اندازند و عملکرد ایمن سیستم توزیع برق را تهدید می‌کنند.

چه چیزی جریان‌های دنباله مثبت، منفی و صفر هستند؟

• جریان دنباله منفی: فاز A با ۱۲۰° تأخیر نسبت به فاز B، فاز B با ۱۲۰° تأخیر نسبت به فاز C و فاز C با ۱۲۰° تأخیر نسبت به فاز A.

• جریان دنباله مثبت: فاز A با ۱۲۰° پیشی نسبت به فاز B، فاز B با ۱۲۰° پیشی نسبت به فاز C و فاز C با ۱۲۰° پیشی نسبت به فاز A.

• جریان دنباله صفر: همه سه فاز (A، B، C) همزمان هستند—هیچ فازی نسبت به فاز دیگر پیشی یا تأخیر ندارد.

در زمان خطا‌های کوتاه‌مداری سه‌فازی و عملیات عادی، سیستم فقط شامل مولفه‌های دنباله مثبت است.
در زمان خطا‌های تک‌فازی در زمین، سیستم شامل مولفه‌های دنباله مثبت، منفی و صفر است.
در زمان خطا‌های کوتاه‌مداری دو‌فازی، سیستم شامل مولفه‌های دنباله مثبت و منفی است.
در زمان خطا‌های کوتاه‌مداری دو‌فازی به زمین، سیستم شامل مولفه‌های دنباله مثبت، منفی و صفر است.

ویژگی‌های عملکرد ترانسفورماتورهای زمین‌گذاری

در شرایط نرمال عملیات شبکه، ترانسفورماتور زمین‌گذاری بدون بار کار می‌کند و در حالت خطا تحت بار موقتی قرار می‌گیرد. به طور خلاصه، وظیفه ترانسفورماتور زمین‌گذاری ایجاد نقطه میانبر مصنوعی برای اتصال مقاومت زمین‌گذاری است. در زمان خطا، این ترانسفورماتور مقاومت بالایی نسبت به جریان‌های دنباله مثبت و منفی و مقاومت پایینی نسبت به جریان دنباله صفر دارد، که عملکرد قابل اعتماد سیستم‌های محافظت از خطا را تضمین می‌کند.

زمین‌گذاری میانبر از طریق سیستم‌های مدار خنثی با کویل خاموش‌کننده قوس

هنگامی که خطا تک‌فاز موقت در شبکه به دلیل عایق‌بندی ضعیف تجهیزات، آسیب خارجی، خطای اپراتور، فشار برق داخلی یا هر دلیل دیگری رخ می‌دهد، جریان خطا از طریق کویل خاموش‌کننده قوس به عنوان جریان القایی جریان می‌یابد که در جهت مخالف جریان ظرفیتی است. این می‌تواند جریان در محل خطا را به مقدار بسیار کم یا حتی صفر کاهش دهد، بنابراین قوس را خاموش و خطرات مرتبط را حذف می‌کند. خطا بدون فعال‌سازی سیستم‌های محافظت یا قطع کننده خودکار رفع می‌شود، که به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان تأمین برق را بهبود می‌بخشد.

سه حالت عملیاتی جبرانی

سه حالت عملیاتی جبرانی مختلف وجود دارد: جبران ناقص، جبران کامل و جبران اضافه.

• جبران ناقص: جریان القایی پس از جبران کمتر از جریان ظرفیتی است.

• جبران اضافه: جریان القایی پس از جبران بیشتر از جریان ظرفیتی است.

• جبران کامل: جریان القایی پس از جبران برابر با جریان ظرفیتی است.

حالت جبرانی استفاده شده در سیستم‌های زمین‌گذاری میانبر با کویل خاموش‌کننده قوس

در سیستم‌هایی که مدار خنثی از طریق کویل خاموش‌کننده قوس زمین‌گذاری می‌شود، باید از جبران کامل پرهیز کرد. صرف نظر از مقدار ولتاژ نامتوازن سیستم، جبران کامل می‌تواند به رزونانس سری منجر شود و کویل خاموش‌کننده قوس را به ولتاژ خطرناک برساند. بنابراین، در عمل از جبران اضافه یا جبران ناقص استفاده می‌شود، که جبران اضافه بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دلایل اصلی استفاده از جبران اضافه

در سیستم‌های جبران ناقص، در زمان خطا می‌تواند ولتاژ بسیار بالایی ایجاد شود. به عنوان مثال، اگر بخشی از خطوط به دلیل خطا یا دلایل دیگر قطع شود، سیستم جبران ناقص ممکن است به سمت جبران کامل حرکت کند و رزونانس سری ایجاد کند که منجر به ولتاژ بسیار بالایی در نقطه میانبر و ولتاژ بیش از حد می‌شود. تغییر بزرگ در نقطه میانبر در سیستم‌های جبران ناقص نیز به تمامیت عایق‌بندی تهدید می‌کند - یک معیب که تا زمانی که از جبران ناقص استفاده می‌شود، قابل جلوگیری نیست.

در طول عملیات نرمال یک سیستم جبران ناقص با عدم توازن سه‌فاز قابل توجه، ممکن است ولتاژ بیش از حد فریمی رخ دهد. این پدیده از رزونانس فریمی بین کویل خاموش‌کننده قوس جبران ناقص (که ωL > 1/(3ωC₀)) و ظرفیت خط (3C₀) ناشی می‌شود. این رزونانس در حالت جبران اضافه رخ نمی‌دهد.

سیستم‌های برق به طور مداوم توسعه می‌یابند و ظرفیت شبکه نسبت به زمین افزایش می‌یابد. با جبران اضافه، کویل خاموش‌کننده قوس نصب شده می‌تواند برای مدتی در خدمت بماند - حتی اگر در نهایت به سمت جبران ناقص حرکت کند. اما اگر سیستم با جبران ناقص شروع شود، هر گسترش فوراً نیاز به ظرفیت جبرانی اضافه دارد.

با جبران اضافه، جریان در محل خطا القایی است. پس از خاموش شدن قوس، نرخ بازیابی ولتاژ فاز خطا پایین‌تر است، که احتمال روشن شدن مجدد قوس را کاهش می‌دهد.

در حالت جبران اضافه، کاهش فرکانس سیستم فقط به طور موقت درجه جبران اضافه را افزایش می‌دهد، که در عمل مشکلی ندارد. اما در حالت جبران ناقص، کاهش فرکانس می‌تواند سیستم را به سمت جبران کامل برساند و منجر به افزایش ولتاژ نقطه میانبر شود.

خلاصه

ترانسفورماتور زمین‌گذاری همچنین به عنوان ترانسفورماتور خدمات ایستگاه عمل می‌کند و ولتاژ ۳۵ کیلوولت را به ولتاژ کم ۳۸۰ ولت کاهش می‌دهد تا انرژی برای شارژ باتری، تغذیه موتورهای مراحل SVG، روشنایی نگهداری و بارهای کمکی عمومی ایستگاه فراهم کند.

در شبکه‌های برق مدرن، کابل‌ها به طور گسترده‌ای خطوط هوایی را جایگزین می‌کنند. چون جریان خطا تک‌فاز ظرفیتی خطوط کابلی بسیار بیشتر از خطوط هوایی است، زمین‌گذاری میانبر از طریق کویل خاموش‌کننده قوس غالباً نمی‌تواند قوس خطا را خاموش کند و ولتاژ رزونانس خطرناک را کاهش دهد. بنابراین، ایستگاه ما از طرح زمین‌گذاری میانبر با مقاومت پایین استفاده می‌کند. این روش مشابه سیستم‌های میانبر مستقیم است و نیاز به نصب محافظ خطا تک‌فازی دارد که عمل کننده برای قطع کننده‌ها است. در زمان رخ دادن خطا تک‌فاز، خط خطا به سرعت جدا می‌شود.