چه تفاوتهایی بین یک ترانسفورماتور زمیندار و یک ترانسفورماتور معمولی وجود دارد
چه چیزی ترانسفورماتور زمینگذاری است؟
ترانسفورماتور زمینگذاری که به اختصار "ترانسفورماتور زمینگذاری" نامیده میشود، بر اساس ماده پرکننده به دو نوع نفتی و خشک تقسیمبندی میشود؛ و بر اساس تعداد فازها به ترانسفورماتورهای سهفازی و یکفازی تقسیمبندی میشود.
تفاوت بین ترانسفورماتورهای زمینگذاری و ترانسفورماتورهای معمولی
هدف از ترانسفورماتور زمینگذاری ایجاد یک نقطه محاورت مصنوعی برای اتصال یک سیمپیچ خاموشکننده قوس یا مقاومت است وقتی که سیستم در پیکربندی دلتا (Δ) یا ستاره (Y) بدون نقطه محاورت قابل دسترسی است. این ترانسفورماتورها از اتصالات پیچشی (یا "Z-نوع") استفاده میکنند. تفاوت اصلی با ترانسفورماتورهای معمولی این است که هر پیچش فاز به دو گروه تقسیم میشود که در جهات مخالف روی همان شاخه هسته مغناطیسی پیچیده میشوند. این طراحی اجازه میدهد تا جریان مغناطیسی دنباله صفر از طریق شاخههای هسته عبور کند، در حالی که در ترانسفورماتورهای معمولی، جریان مغناطیسی دنباله صفر از طریق مسیرهای نشت حرکت میکند.
بنابراین، امپدانس دنباله صفر ترانسفورماتور زمینگذاری Z-نوع بسیار کم (حدود ۱۰ Ω) است، در حالی که در ترانسفورماتورهای معمولی بسیار بالاتر است. بر اساس مقررات فنی، وقتی از ترانسفورماتور معمولی برای اتصال سیمپیچ خاموشکننده قوس استفاده میشود، ظرفیت سیمپیچ نباید بیش از ۲۰٪ ظرفیت اسمی ترانسفورماتور باشد. در مقابل، ترانسفورماتور Z-نوع میتواند سیمپیچ خاموشکننده قوس را با ظرفیت ۹۰٪–۱۰۰٪ از ظرفیت خود حمل کند. علاوه بر این، ترانسفورماتورهای زمینگذاری میتوانند بارهای ثانویه را تأمین کرده و به عنوان ترانسفورماتورهای خدمات ایستگاه عمل کنند، که باعث صرفهجویی در هزینههای سرمایهگذاری میشود.
اصول کاری ترانسفورماتورهای زمینگذاری
ترانسفورماتور زمینگذاری یک نقطه محاورت مصنوعی با مقاومت زمینگذاری ایجاد میکند که معمولاً مقاومت بسیار کمی (معمولاً کمتر از ۵ اهم) دارد. 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 جهات مخالف پیچیده شدهاند. وقتی جریانهای دنباله صفر مساوی از طریق این پیچشها در همان شاخه جریان مییابند، امپدانس کمی ارائه میدهند که باعث کاهش کم ولتاژ میشود.
در حین خطای زمینی، پیچشها جریانهای دنباله مثبت، منفی و صفر را حمل 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 قطبیت مخالف متصل شدهاند—نیروهای الکتروموتوری القاء شده آنها از نظر اندازه مساوی اما در جهات مخالف هستند، بنابراین یکدیگر را خنثی میکنند.
بسیاری از ترانسفورماتورهای زمینگذاری فقط برای ارائه یک نقطه محاورت با مقاومت کم استفاده میشوند و هیچ بار ثانویهای تأمین نمیکنند؛ بنابراین، بسیاری از آنها بدون پیچش ثانویه طراحی شدهاند. در حین عملکرد عادی شبکه، ترانسفورماتور زمینگذاری تقریباً در حالت بدون بار عمل میکند. با این حال، در زمان خطا، فقط برای مدت کوتاهی جریان خطا را حمل میکند. در یک سیستم زمینگذاری با مقاومت کم، وقتی خطا یکفازی زمینی رخ میدهد، محافظ دنباله صفر با حساسیت بالا خیلی سریع خطا را شناسایی و موقتاً خط خراب را جدا میکند.
ترانسفورماتور زمینگذاری فقط در بازه کوتاه بین رخداد خطا و عملکرد محافظ دنباله صفر خط خراب فعال است. در این زمان، جریان دنباله صفر از طریق مقاومت زمینگذاری محاورت و ترانسفورماتور زمینگذاری جریان مییابد، با توجه به فرمول: IR = U / R₁، که در آن U ولتاژ فاز سیستم و R₁ مقاومت زمینگذاری محاورت است.
پیامدهای عدم خاموش شدن قابل اعتماد قوس زمینی
خاموش شدن متناوب و روشن شدن مجدد قوس یکفازی زمینی باعث ایجاد ولتاژهای بیش از حد قوس-زمین با دامنهای به ۴U (که در آن U ولتاژ فازی اوج است) یا حتی بیشتر میشود که مدت زمان طولانی پایدار میماند. این وضعیت تهدید جدی برای عایقبندی تجهیزات الکتریکی است و ممکن است باعث شکست در نقاط ضعیف عایقبندی و خسارات قابل توجه شود.
پایداری قوس باعث یونیزاسیون هوای اطراف میشود، که باعث کاهش خصوصیات عایقبندی آن میشود و احتمال قطع فاز به فاز را افزایش میدهد.
ولتاژهای بیش از حد فرومغناطیسی ممکن است رخ دهد که به آسانی میتواند ترانسفورماتورهای ولتاژ و لرزهگیرها را خراب کند—حتی ممکن است باعث انفجار لرزهگیر شود. این پیامدها عایقبندی تجهیزات شبکه را به شدت در معرض خطر قرار میدهند و عملکرد ایمن سیستم برق کامل را تهدید میکنند.
جریانهای دنباله مثبت، منفی و صفر چیست؟
جریان دنباله منفی: فاز A نسبت به فاز B ۱۲۰ درجه عقب است، فاز B نسبت به فاز C ۱۲۰ درجه عقب است، و فاز C نسبت به فاز A ۱۲۰ درجه عقب است.
جریان دنباله مثبت: فاز A نسبت به فاز B ۱۲۰ درجه جلو است، فاز B نسبت به فاز C ۱۲۰ درجه جلو است، و فاز C نسبت به فاز A ۱۲۰ درجه جلو است.
جریان دنباله صفر: همه سه فاز (A، B، C) در فاز هستند—هیچ فازی نسبت به فاز دیگری جلو یا عقب نیست.
در زمان خطاهای خوردگی سهفازی و عملکرد عادی، سیستم فقط شامل مؤلفههای دنباله مثبت است.
در زمان خطاهای یکفازی زمینی، سیستم شامل مؤلفههای دنباله مثبت، منفی و صفر است.
در زمان خطاهای خوردگی دوفازی، سیستم شامل مؤلفههای دنباله مثبت و منفی است.
در زمان خطاهای خوردگی دوفازی به زمین، سیستم شامل مؤلفههای دنباله مثبت، منفی و صفر است.
خصوصیات عملکردی ترانسفورماتورهای زمینگذاری
در شرایط نرمال عملیات شبکه، ترانسفورماتور زمینگذاری در حالت بدون بار کار میکند و در مواقع خطا به طور موقت بار اضافه میبیند. به طور خلاصه، کارکرد ترانسفورماتور زمینگذاری ایجاد یک نقطه محاوره برای اتصال مقاومت زمینگذاری است. در هنگام خطا، این ترانسفورماتور مقاومت بالایی به جریانهای دنباله مثبت و منفی اما مقاومت پایینی به جریان دنباله صفر نشان میدهد که عملکرد قابل اعتماد محافظت از خطا را تضمین میکند.
زمینگذاری محاوره با سیستمهای لوله خنثیسازی قوس
هنگامی که خطا یکفازی موقت در شبکه به دلیل عایقبندی ضعیف تجهیزات، آسیب خارجی، خطای اپراتور، ولتاژ داخلی بیش از حد یا هر دلیل دیگری رخ دهد، جریان خطا از طریق لوله خنثیسازی قوس به عنوان جریان القایی میگذرد که جهت مخالف جریان ظرفیتی دارد. این میتواند جریان در نقطه خطا را به مقدار بسیار کم یا حتی صفر کاهش دهد، بنابراین قوس را خاموش و خطرات مرتبط با آن را حذف میکند. خطا به طور خودکار رفع میشود و محافظت الکتریکی یا قطع کنندهها فعال نمیشوند، که به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان تأمین برق را افزایش میدهد.
سه حالت عملیاتی جبرانی
سه حالت عملیاتی جبرانی مختلف وجود دارد: جبران ناقص، جبران کامل و جبران بیش از حد.
جبران ناقص: جریان القایی بعد از جبران کمتر از جریان ظرفیتی است.
جبران بیش از حد: جریان القایی بعد از جبران بیشتر از جریان ظرفیتی است.
جبران کامل: جریان القایی بعد از جبران برابر با جریان ظرفیتی است.
حالت جبرانی استفاده شده در سیستمهای زمینگذاری محاوره با لوله خنثیسازی قوس
در سیستمهایی که محاوره آنها با لوله خنثیسازی قوس زمینگذاری شده است، باید از جبران کامل پرهیز کرد. صرف نظر از مقدار ولتاژ عدم تعادل سیستم، جبران کامل میتواند به رزونان سری منجر شود و لوله خنثیسازی را به ولتاژهای خطرناک برمیاندازد. بنابراین، در عمل جبران بیش از حد یا جبران ناقص استفاده میشود که جبران بیش از حد بیشترین استفاده را دارد.
دلایل اصلی استفاده از جبران بیش از حد
در سیستمهای جبران ناقص، در هنگام خطا ولتاژهای بیش از حد راحتتر رخ میدهند. به عنوان مثال، اگر بخشی از خطوط به دلیل خطا یا دلایل دیگر قطع شود، یک سیستم جبران ناقص ممکن است به سمت جبران کامل حرکت کند و رزونان سری ایجاد شود که به ولتاژ بسیار بالایی در نقطه محاوره و ولتاژ بیش از حد منجر میشود. تغییر بزرگ در نقطه محاوره در سیستمهای جبران ناقص همچنین تمامیت عایقبندی را تهدید میکند—یک معیب که تا زمانی که از جبران ناقص استفاده میشود، قابل اجتناب نیست.
در حالت عملیاتی نرمال یک سیستم جبران ناقص با عدم تعادل سهفازی قابل توجه، ممکن است ولتاژهای بیش از حد رزونان فرومغناطیسی بسیار بالا رخ دهد. این پدیده از رزونان فرومغناطیسی بین لوله خنثیسازی جبران ناقص (که در آن ωL > 1/(3ωC₀)) و ظرفیت خط (3C₀) ناشی میشود. چنین رزونانی در حالت جبران بیش از حد رخ نمیدهد.
سیستمهای توزیع برق به طور مداوم گسترش مییابند و ظرفیت شبکه به زمین نیز به طور متناسب افزایش مییابد. با جبران بیش از حد، لوله خنثیسازی 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 گسترشی فوراً نیاز به ظرفیت جبرانی اضافی دارد.
با جبران بیش از حد، جریان در نقطه خطا القایی است. پس از خاموش شدن قوس، نرخ بازیابی ولتاژ فاز خطا کندتر است که احتمال روشن شدن مجدد قوس را کاهش میدهد.
در حالت جبران بیش از حد، کاهش فرکانس سیستم فقط به طور موقت درجه جبران بیش از حد را افزایش میدهد که در حالت عملیاتی نرمال مشکلی ایجاد نمیکند. اما در حالت جبران ناقص با کاهش فرکانس، سیستم ممکن است به سمت جبران کامل حرکت کند و ولتاژ نقطه محاوره را افزایش دهد.
خلاصه
ترانسفورماتور زمینگذاری همچنین به عنوان ترانسفورماتور خدمات ایستگاه عمل میکند و ولتاژ ۳۵ کیلوولت را به ولتاژ پایین ۳۸۰ ولت کاهش میدهد تا برق را برای شارژ باتری، تهویه SVG، روشنایی نگهداری و بارهای کمکی عمومی ایستگاه تأمین کند.
در شبکههای برق مدرن، کابلها به طور گستردهای جای خطوط هوایی را میگیرند. چون جریان خطا یکفازی ظرفیتی خطوط کابلی بسیار بیشتر از خطوط هوایی است، زمینگذاری محاوره با لوله خنثیسازی اغلب نمیتواند قوس خطا را خاموش کند و ولتاژهای رزونان خطرناک را کاهش دهد. بنابراین، ایستگاه ما از طرح زمینگذاری محاوره با مقاومت کم استفاده میکند. این رویکرد مشابه سیستمهای زمینگذاری محکم است و نیاز به نصب محافظ خطا یکفازی دارد که برای قطع کنندهها عمل میکند. در صورت رخ دادن خطا یکفازی، خط خطا به سرعت جدا میشود.
