Koje su razlike između transformatora za zemljenje i konvencionalnog transformatora?

Što je transformator zemljanja?

Transformator zemljanja, sažeto "transformator zemljanja," može se prema tekućoj sredini podijeliti na uljani i suhi; a prema broju faza na trofazne i jednofazne transformatore zemljanja.

Razlika između transformatora zemljanja i konvencionalnih transformatora

Cilj transformatora zemljanja je stvoriti umjetnu neutralnu točku za povezivanje koila za potiskivanje lukova ili otpornika kada je sustav povezan u delta (Δ) ili zvijezda (Y) konfiguraciju bez dostupne neutralne točke. Takvi transformatori koriste cik-cak (ili "Z-tip") spojeve navoja. Ključna razlika od konvencionalnih transformatora je ta što je svaki fazni navoj podijeljen u dvije skupine navoja suprotnog smjera na istom magnetskom stubcu. Ovaj dizajn omogućuje da nultoskazni magnetni tok prođe kroz stubce, dok u konvencionalnim transformatorima nultoskazni tok ide po putanjama izbocavanja. 

Stoga, nultoskazni impedancija Z-tipa transformatora zemljanja vrlo je niska (oko 10 Ω), dok je kod konvencionalnog transformatora puno veća. Prema tehničkim propisima, kada se koristi konvencionalni transformator za povezivanje koila za potiskivanje lukova, kapacitet koila ne smije preći 20% nominiranog kapaciteta transformatora. U suprotnosti, Z-tip transformator može nositi koilo za potiskivanje lukova na 90%–100% vlastitog kapaciteta. Također, transformatori zemljanja mogu snabdevati sekundarne opterećenja i služiti kao transformatori za stanicu, čime se štede investicijski troškovi.

Načelo rada transformatora zemljanja

Transformator zemljanja umjetno stvara neutralnu točku s otpornikom zemljanja, koji obično ima vrlo nizi otpor (obično je potrebno da bude manji od 5 ohmova). Nadalje, zbog svojih elektromagnetskih karakteristika, transformator zemljanja prikazuje visoku impedanciju pozitivno- i negativnotoskaznim strujama, dopuštajući da samo mala pobudna struja teče kroz navoje. Na svakom magnetskom stubcu, dvije sekcije navoja navijaju suprotnim smjerovima. Kada jednakim nultoskaznim strujama prođu kroz ove navoje na istom stubcu, oni prikazuju nizu impedanciju, što rezultira minimalnim padom napona. 

Tijekom greške zemljanja, navoji nose pozitivno-, negativno- i nultoskazne struje. Navoj prikazuje visoku impedanciju pozitivno- i negativnotoskaznim strujama, ali nizu impedanciju nultoskaznoj struji jer, unutar iste faze, dva navoja su spojena serijalno suprotnim polarnostima—njihove inducirane eloktrone motive sile su jednake po veličini, ali suprotne po smjeru, stoga se anuliraju.

Mnogi transformatori zemljanja koriste se isključivo za pružanje nizootporne neutralne točke i ne snabdevaju nikakvo sekundarne opterećenje; stoga mnogi su dizajnirani bez sekundarnog navoja. Tijekom normalne radnje mreže, transformator zemljanja radi praktički bez opterećenja. Međutim, tijekom greške, nosi grešku struju samo kratko vrijeme. U sustavu s nizootporom zemljom, kada dođe do jednofazne greške zemljanja, vrlo osjetljiva nultoskazna zaštita brzo identificira i privremeno izolira grešku feeder-a. 

Transformator zemljanja aktiviran je samo tijekom kratkog vremenskog intervala između nastanka greške i djelovanja nultoskazne zaštite feedera. Tijekom tog vremena, nultoskazna struja teče kroz neutralni otpornik zemljanja i transformator zemljanja, prema formuli: IR = U / R₁, gdje je U fazonapon sustava, a R₁ neutralni otpornik zemljanja.

Posljedice kada luka zemljanja ne može pouzdano doći do ugašenja

• Intermitentno ugašanje i ponovno zapaljivanje jednofazne greške luka generira preopterećenja luka-zemlja s amplitudama koje dosegu do 4U (gdje je U vrhunski fazonapon) ili čak više, trajući duže vrijeme. To predstavlja ozbiljnu prijetnju izolaciji električnog opreme, mogući slomovi na slabim točkama izolacije i dovode do značajnih gubitaka.

• Trajno zapaljivanje ionizira okružni zrak, smanjujući njegove izolacijske osobine i povećavajući vjerojatnost međufaznih kraćenja.

• Može doći do ferorezonantnih preopterećenja, lako oštećujući transformatore napona i ograničitelje preopterećenja—potencijalno do eksplozije ograničitelja. Ove posljedice ozbiljno ugrožavaju integritet izolacije opreme mreže i prijeti sigurnom radu cijelog sistema energije.

Što su pozitivno-, negativno- i nultoskazne struje?

• Negativnotoskazna struja: Faza A zaostaje od Faze B za 120°, Faza B zaostaje od Faze C za 120°, a Faza C zaostaje od Faze A za 120°.

• Pozitivnotoskazna struja: Faza A vodi Fazi B za 120°, Faza B vodi Fazi C za 120°, a Faza C vodi Fazi A za 120°.

• Nultoskazna struja: Sve tri faze (A, B, C) su u fazi—nijedna faza ne vodi ni zaostaje od druge.

Tijekom trofaznih kraćenja i normalnog rada, sustav sadrži samo pozitivnote komponente.
Tijekom jednofaznih grešaka zemljanja, sustav sadrži pozitivno-, negativno- i nultoskazne komponente.
Tijekom dvofaznih kraćenja, sustav sadrži pozitivno- i negativnotoskazne komponente.
Tijekom dvofaznih kraćenja prema zemlji, sustav sadrži pozitivno-, negativno- i nultoskazne komponente.

Radne karakteristike transformatora zemljanja

Tijekom normalne operacije mreže, transformator za zemljanje radi bez opterećenja, a tijekom grešaka iskusava kratkotrajno preopterećenje. Sažeto, funkcija transformatora za zemljanje je umjetno stvoriti neutralnu točku za povezivanje otpornika za zemljanje. Tijekom greške na zemlju, pokazuje visoku impedanciju za pozitivne i negativne sekvencijske struje, ali nisku impedanciju za nultu sekvencijsku struju, osiguravajući pouzdan rad zaštite od grešaka na zemlji.

Neutralno zemljanje putem sustava s koilom za potiskivanje lukova

Kada se u mreži zbog loše izolacije opreme, vanjskog oštećenja, greške operatera, unutarnjeg prenapona ili bilo kojeg drugog razloga pojavi privremena jednofazna greška na zemlji, struja greške na zemlji teče kroz koilu za potiskivanje lukova kao induktivna struja, suprotna po smjeru kapacitivnoj struji. To može smanjiti struju u točki greške na vrlo malu vrijednost ili čak na nulu, time gašući luk i eliminirajući povezane opasnosti. Greška se automatski otklanja bez aktiviranja relejnog zaštita ili prekidnog prekidača, značajno poboljšavajući pouzdanost snabdijevanja strujom.

Tri načina kompenzacije rada

Postoje tri različita načina kompenzacije rada: podkompenzacija, puna kompenzacija i prekompenzacija.

• Podkompenzacija: Induktivna struja nakon kompenzacije manja je od kapacitivne struje.

• Prekompenzacija: Induktivna struja nakon kompenzacije veća je od kapacitivne struje.

• Puna kompenzacija: Induktivna struja nakon kompenzacije jednaka je kapacitivnoj struji.

Način kompenzacije korišten u neutralnom zemljanju putem sustava s koilom za potiskivanje lukova

U sustavima s neutralnim zemljanjem putem koile za potiskivanje lukova, treba izbjegavati punu kompenzaciju. Bez obzira na veličinu nesimetričnog napona sustava, puna kompenzacija može uzrokovati serijalni rezonans, izlagajući koilu za potiskivanje lukova opasno visokim naponima. Stoga se u praksi koristi prekompenzacija ili podkompenzacija, pri čemu je prekompenzacija najčešće korišteni način.

Glavni razlozi za usvajanje prekompenzacije

U sustavima s podkompenzacijom, tijekom grešaka lako se mogu pojaviti visoki prenaponi. Na primjer, ako se dio linija odvoji zbog greške ili nekog drugog razloga, sustav s podkompenzacijom može preći prema punoj kompenzaciji, uzrokujući serijalni rezonans i rezultirajući vrlo visokim naponom pomaka neutrala i prenaponima. Veliki pomak neutrala u sustavima s podkompenzacijom također prijeti integritetu izolacije—nedostatak koji se ne može izbjeći dok se koristi podkompenzacija.

Tijekom normalne operacije sustava s podkompenzacijom i značajnom trofaznom nesimetrijom, mogu se pojaviti vrlo visoki feromagnetni prenaponi. Ovaj fenomen nastaje od feromagnetskog rezonansa između podkompenzirane koile za potiskivanje lukova (gdje je ωL > 1/(3ωC₀)) i kapacitance linije (3C₀). Takav rezonans ne nastupa s prekompenzacijom.

Sustavi snabdijevanja strujom neprestano se šire, a kapacitancija mreže prema zemlji se s tim povećava. S prekompenzacijom, originalno instalirana koila za potiskivanje lukova može ostati u upotrebi duže vrijeme—čak i ako se eventualno pređe prema podkompenzaciji. Međutim, ako sustav započne s podkompenzacijom, svaki proširenje odmah zahtijeva dodatnu kompenzaciju.

S prekompenzacijom, struja koja teče kroz točku greške je induktivna. Nakon ugasišta luka, brzina obnavljanja napona faze s greškom je sporija, što smanjuje vjerojatnost ponovnog zapaljenja luka.

Pod prekompenzacijom, smanjenje frekvencije sustava samo privremeno povećava stupanj prekompenzacije, što nije problem tijekom normalne operacije. Suprotno tome, podkompenzacija kombinirana s smanjenom frekvencijom može približiti sustav punoj kompenzaciji, što dovodi do povećanja napona pomaka neutrala.

Sažetak

Transformator za zemljanje također funkcioniše kao transformator za postajsku službu, snižavajući napon od 35 kV na niski napon od 380 V kako bi se snabdevalo strujom za punjenje baterija, SVG ventilatorskih motora, održavanje osvjetljenja i opće postajske pomoćne opterećenja.

U modernim električnim mrežama, kabeli sve više zamjenjuju površinske linije. Budući da je jednofazna kapacitivna struja greške na zemlji kod kabelskih linija znatno veća nego kod površinskih linija, neutralno zemljanje putem koile za potiskivanje lukova često ne može ugasiti luk greške i potisnuti opasne rezonantne prenapone. Stoga naša postaja usvaja shemu niskootporne neutralne zemlje. Ovaj pristup sličan je solidno zemljenim neutralnim sustavima i zahtijeva instalaciju zaštite od jednofaznih grešaka na zemlji koja djeluje na prekid prekidnog prekidača. Kada se pojavi jednofazna greška na zemlji, krivo povod brzo se izolira.