Mikä on erottaa maanjäristyksenmuuntajaa perinteisestä muuntajasta?

Mikä on maadoitusmuuntaja?

Maadoitusmuuntaja, jota lyhennetään "maadoitusmuuntajaksi", voidaan luokitella öljyimurskaiseksi ja kuivaksi täytteensä mukaan; ja kolmifaseiseksi ja yksifaseiseksi maadoitusmuuntajaksi vaiheiden mukaan.

Maadoitusmuuntajien ja perinteisten muuntajien erot

Maadoitusmuuntajan tarkoitus on luoda tekoherne yhdistämään kaasupuisto tai vastus, kun järjestelmä on yhdistetty kolmioksi (Δ) tai tasapainoksi (Y) ilman käytettävissä olevaa herneä. Tällaiset muuntajat käyttävät zikzakmuotoisia (tai "Z-tyypin") kierrospitoja. Olennainen ero perinteisiin muuntajiin nähden on, että kukin vaiheen kierros on jaettu kahteen ryhmään, jotka on kympitettynä päinvastaisiin suuntiin samalla magnetisella ytimellä. Tämä suunnitelma sallii nollajärjestyksen magneettivirtan kulkea ytimeä pitkin, kun taas perinteisissä muuntajissa nollajärjestyksen virta kulkee vuodatusreiteillä. 

Tämän vuoksi Z-tyypin maadoitusmuuntajan nollajärjestyksen impedanssi on hyvin alhainen (noin 10 Ω), kun taas perinteisen muuntajan se on paljon korkeampi. Teknisillä säännöillä mukaan, kun käytetään perinteistä muuntajaa kaasupuiston yhdistämiseen, kaasupuiston kapasiteetti ei saa ylittää muuntajan asetettua kapasiteettia enempää kuin 20 %. Toisaalta Z-tyypin muuntaja voi kuljettaa kaasupuiston, joka on 90 %–100 % omasta kapasiteettistaan. Lisäksi maadoitusmuuntajat voivat toimittaa sekundaarilastuja ja toimia asemapalvelumuuntajina, mikä säästää sijoituskustannuksia.

Maadoitusmuuntajien toimintaperiaate

Maadoitusmuuntaja luo tekoherne maadoitusvastuksen avulla, jolla on yleensä hyvin alhainen vastus (yleensä vaaditaan alle 5 ohmia). Lisäksi sen sähkömagneettisten ominaisuuksien vuoksi, maadoitusmuuntaja esittää korkean impedanssin positiiviseen ja negatiiviseen järjestykseen kuuluviin virtoihin, sallien vain pienet viritysvirrat kiertää kierroksissa. Jokaisella ytimen jalassa kaksi kierroksen osaa on kympitettynä päinvastaisiin suuntiin. Kun yhtäsuuret nollajärjestyksen virrat kulkevat näitä kierroksia samaa jalkaa pitkin, ne esittävät matalan impedanssin, mikä johtaa vähäiseen jänniteputoon. 

Maanjäristysvirheen aikana kierrokset kuljettavat positiiviseen, negatiiviseen ja nollajärjestykseen kuuluvia virtoja. Kierros esittää korkean impedanssin positiiviseen ja negatiiviseen järjestykseen kuuluville virtoille, mutta matalan impedanssin nollajärjestyksen virran käsittelyyn, koska samassa vaiheessa kaksi kierrosta on kytketty sarjatason vastakkaisilla polariteeteilla—niiden induktoidut sähkömotorit ovat yhtä suuret, mutta vastakkaisia, joten ne kumoavat toisensa.

Monet maadoitusmuuntajat käytetään ainoastaan tarjoamaan matalaresistenssin herne eivätkä toimita mitään sekundaarilastuja; siksi monet on suunniteltu ilman sekundaarikierrosta. Normaalissa verkossa toiminnassa maadoitusmuuntaja toimii lähes tyhjässä tilassa. Mutta virheen aikana se kuljettaa virhevirtaa vain lyhyen ajan. Matalaresistenssin maadoitetussa järjestelmässä, kun yksivaiheinen maanjäristysvirhe tapahtuu, erittäin herkkä nollajärjestyksen suoja tunnistaa nopeasti ja väliaikaisesti eristää virheen aiheuttavan siirtolinjan. 

Maadoitusmuuntaja on aktiivinen vain lyhyessä aikavälissä virheen syttyessä ja siirtolinjan nollajärjestyksen suojan toiminnan välillä. Tällä aikana nollajärjestyksen virta kulkee neutraalin maadoitusvastuksen ja maadoitusmuuntajan kautta, seuraavalla kaavalla: IR = U / R₁, missä U on järjestelmän vaiheen jännite ja R₁ on neutraalin maadoitusvastus.

Seuraukset, kun maanjäristyskaari ei ole luotettavasti suljettavissa

• Yksivaiheisen maanjäristyskaaren epäjatkuvan sammumisen ja uudelleen syttymisen seurauksena syntyy kaari-maan ylikirjoitukset, joiden amplitudi voi saavuttaa jopa 4U (missä U on vaiheen huippujännite) tai vielä suuremmaksi, kestien pitkään. Tämä aiheuttaa vakavia uhkia sähkölaitteiden eristyksen kannalta, mahdollisesti aiheuttaen purkauksia heikoissa eristyksen pisteissä ja johtamalla merkittäviin tappioihin.

• Jatkuva kaari ionisoi ympäröivää ilmaa, heikentäen sen eristysominaisuuksia ja lisäämällä vaiheiden välisten lyhytsulutuksen todennäköisyyttä.

• Ferroresonanssilliset ylikirjoitukset voivat tapahtua, helposti vahingoittaen jännitevaihtelijoiden ja suojalaitteiden—jopa aiheuttaen suojalaitteiden räjähdysten. Nämä seuraukset vaarantavat vakavasti verkon laitteiden erityksen integritetin ja uhkaavat koko sähköverkon turvallista toimintaa.

Mitä ovat positiivinen, negatiivinen ja nollajärjestyksen virrat?

• Negatiivinen järjestysvirta: Vaihe A viipyy Vaihe B:n edestä 120°, Vaihe B viipyy Vaihe C:n edestä 120°, ja Vaihe C viipyy Vaihe A:n edestä 120°.

• Positiivinen järjestysvirta: Vaihe A johtaa Vaihe B:ää 120°, Vaihe B johtaa Vaihe C:ää 120°, ja Vaihe C johtaa Vaihe A:ta 120°.

• Nollajärjestysvirta: Kaikki kolme vaihetta (A, B, C) ovat vaiheessa—ei vaihe johtaa tai viipy toista.

Kolmivaiheisen lyhytsulun ja normaalin toiminnan aikana järjestelmä sisältää vain positiivisia komponentteja.
Yksivaiheisen maanjäristysvirheen aikana järjestelmä sisältää positiivisia, negatiivisia ja nollajärjestyksen komponentteja.
Kahdenvaiheisen lyhytsulun aikana järjestelmä sisältää positiivisia ja negatiivisia komponentteja.
Kahdenvaiheisen maanjäristyslyhytsulun aikana järjestelmä sisältää positiivisia, negatiivisia ja nollajärjestyksen komponentteja.

Maadoitusmuuntajien toimintaominaisuudet

Maanjohtimo muodostaa neutraalin pisteen, joka yhdistetään maareaktoriin. Normaalin verkon toiminnassa maanjohtimo toimii ilman kuormitusta ja kohtaa lyhytaikaisen ylilatautumisen sijainnin häiriötilanteissa. Yhteenvetona voidaan todeta, että maanjohtimon tarkoitus on luoda tekoisesti neutraalipiste maareaktorin yhdistämistä varten. Sijainnin häiriötilanteessa se esittää suuren impedanssin positiiviselle ja negatiiviselle sekvenssijälle, mutta matalan impedanssin nollasekvenssijälle, mikä takaa maahäiriösuojausten luotettavan toiminnan.

Neutraalin maanjako suluttamokkejärjestelmien kautta

Kun verkkoon tapahtuu väliaikainen yksifasaista maahäiriötä huonon laitteen eristyksen, ulkopuolisen vahingon, operaattorinvirheen, sisäisen ylikannan tai muun syyn vuoksi, maahäiriövirta kulkee suluttamokken kautta induktiivisena virtana, joka on vastakkaissuuntainen kapasitiiviseen virtaan nähden. Tämä voi vähentää häiriöpaikan virtaa hyvin pieneksi arvoksi tai jopa nollaksi, mikä sammuttaa kaaren ja poistaa liittyvät vaarat. Häiriö selvitetään automaattisesti ilman, että se käynnistää suojalaitteita tai sähkökatkaisimen, mikä parantaa huomattavasti sähköntarjonnan luotettavuutta.

Kolme kompensaatio-toimintatapaa

On olemassa kolme erilaista kompensaatio-toimintatapaa: alikompensaatio, täyskompensaatio ja ylikompensaatio.

• Alikompensaatio: Kompensoidun induktiivisen virtan jälkeen virta on pienempi kuin kapasitiivinen virta.

• Ylikompensaatio: Kompensoidun induktiivisen virtan jälkeen virta on suurempi kuin kapasitiivinen virta.

• Täyskompensaatio: Kompensoidun induktiivisen virtan jälkeen virta on yhtä suuri kuin kapasitiivinen virta.

Suluttamokkejärjestelmissä käytetty kompensaatio-toimintatapa

Suluttamokkeilla toteutetuissa neutraalien maanjakosysteemeissä täyskompensaatiota on vältettävä. Riippumatta systeemin epätasapainovoltageen, täyskompensaatio voi aiheuttaa sarjaresonanssin, joka altistaa suluttamokken vaarallisille korkeille volttiarvoille. Siksi käytännössä sovelletaan ylikompensaatiota tai alikompensaatiota, joista ylikompensaatio on yleisin toimintatapa.

Pääasiassa ylikompensaation käyttöön ottamisen syyt

Alikompensaatioon perustuvissa järjestelmissä häiriöiden yhteydessä voivat helposti tapahtua korkeat ylikannat. Esimerkiksi, jos osa linjoista katkeaa häiriön tai muun syyn vuoksi, alikompensaatioon perustuva järjestelmä voi siirtyä lähemmäs täyskompensaatiota, mikä aiheuttaa sarjaresonanssin ja erittäin korkean neutraalipisteen siirtymävoltagen sekä ylikannan. Suuri neutraalipisteen siirtyminen alikompensaation yhteydessä uhkaa myös erityisesti eristyksen eheyttä, mikä on haittapuoli, jota ei voida välttää, kun käytetään alikompensaatiota.

Alikompensaation yhteydessä normaalin toiminnan aikana, kun kolmivaiheen epätasapaino on merkittävä, voidaan havaita erittäin korkeita ferroresonanssiylikannoja. Tämä ilmiö syntyy ferromagneettisesta resonanssista alikompensaoidun suluttamokkeen (ωL > 1/(3ωC₀)) ja linjan kapasitanssin (3C₀) välillä. Tällaista resonanssia ei tapahdu ylikompensaation yhteydessä.

Sähköverkot kasvavat jatkuvasti, ja niiden maahan suuntautuva kapasitanssi kasvaa vastaavasti. Ylikompensaation avulla alkuperäisesti asennettu suluttamokki voi pysyä käytössä jonkin aikaa, vaikka se lopulta siirtyisikin alikompensaatiosta. Jos kuitenkin järjestelmä aloittaa alikompensaatiolla, jokainen laajentuminen vaatii välittömästi lisää kompensaatiokapasiteettia.

Ylikompensaation avulla häiriöpaikan kautta kulkeva virta on induktiivinen. Kaaren sammuttamisen jälkeen häiriöfason jännitteen palautuminen on hitaampaa, mikä vähentää kaaren uudelleen syttyvän mahdollisuutta.

Ylikompensaation yhteydessä järjestelmän taajuuden pudotessa vain väliaikaisesti kasvaa ylikompensaation aste, mikä ei ole ongelma normaalissa toiminnassa. Alikompensaation yhdistelmässä taajuuden pudotuksen kanssa järjestelmä voi siirtyä lähemmäs täyskompensaatiota, mikä lisää neutraalipisteen siirtymävoltagen.

Yhteenveto

Maanjohtimo toimii myös asemakäyttömuunnoksena, joka laskee 35 kV:n jännitteen 380 V:n alijännitteeksi akkujen lataamista, SVG-kuljetusventtiilijen sähköntarpeetta, huoltovalaistusta ja yleisiä aseman apukulutusta varten.

Nykyisissä sähköverkoissa kaapelit ovat laajasti korvaamassa ilmakulkuja. Koska kaapeliverkkojen yksifasaisten kapasitiivisten maahäiriövirtojen määrä on huomattavasti suurempi kuin ilmakulkujen, suluttamokkeiden kautta toteutettu neutraalin maanjako usein epäonnistuu sammuttamaan häiriökaarta ja hillitsemään vaarallisia resonanssiylikannoja. Siksi substationamme käyttää matalaresistenttia neutraalin maanjakoa. Tämä lähestymistapa on samankaltainen kuin tiiviisti maanjäätyn neutraalin järjestelmät ja edellyttää yksifasaisten maahäiriösuojien asentamista, jotka toimivat katkaisijoiden käynnistämiseksi. Kun yksifaseinen maahäiriö tapahtuu, virheellinen tarjoaja erotetaan nopeasti.