Mi a különbségek egy földelő transzformátor és egy hagyományos transzformátor között?

Mi az árdelektromos transzformátor?

Az árdelektromos transzformátort, röviden "árdelektromos transzformátor" néven is említik, olajtartalmú és száraz típusúra osztják a töltőköz alapján; háromfázisú és egyfázisú árdelektromos transzformátorokként pedig a fázisok számától függően.

Az árdelektromos transzformátorok és a hagyományos transzformátorok közötti különbség

Az árdelektromos transzformátor célja, hogy műtőleges nullpontot hozzon létre izoláló hurok vagy ellenállás csatlakoztatásához, amikor a rendszer delta (Δ) vagy csillag (Y) konfigurációban van, anélkül, hogy elérhető lenne nullpont. Ilyen transzformátorok használják a zigzag (vagy "Z-típusú") tekercs kapcsolást. A hagyományos transzformátoroktól való főbb különbség, hogy minden fázis tekercse két csoportra bontódik, amelyek ellentétes irányba vannak tekerve ugyanazon mágneses alakvonalon. Ez a tervezés lehetővé teszi a zérus-sorozatú mágneses áramot, hogy áthaladjon az alakvonalon, míg a hagyományos transzformátoroknál a zérus-sorozatú áram a szivárgási úton halad. 

Ezért az Z-típusú árdelektromos transzformátor zérus-sorozatú ellenállása nagyon alacsony (kb. 10 Ω), míg a hagyományos transzformátoroknál sokkal magasabb. A technikai előírások szerint, ha hagyományos transzformátort használnak izoláló hurok csatlakoztatásához, a hurok kapacitása nem haladhatja meg a transzformátor nominális kapacitásának 20%-át. Szemben ezzel, az Z-típusú transzformátor viselheti az izoláló hurokot a saját kapacitásának 90%–100%-án. Ezenkívül az árdelektromos transzformátorok másodlagos terheléseket is elláthatnak, és állomás-szolgáltató transzformátorokként is működhetnek, így befektetési költségeket takarítanak meg.

Az árdelektromos transzformátorok működési elve

Az árdelektromos transzformátor műtőleges nullpontot hoz létre egy árdelektromos ellenállással, amely általában nagyon alacsony ellenállású (általában kevesebb, mint 5 ohm). Továbbá, elektromágneses jellemzői miatt, az árdelektromos transzformátor magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorozatú áramoknak, csak kis indítási áramot enged át a tekercsekben. Ugyanazon alakvonalon a két tekercsrész ellentétes irányban van tekerve. Ha azonos zérus-sorozatú áramok áthaladnak ezeken a tekercseken, alacsony ellenállást mutatnak, ami minimális feszültség-lejtést eredményez. 

Földkapcsolási hiba esetén a tekercsek pozitív-, negatív- és zérus-sorozatú áramokat visznek. A tekercs magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorozatú áramoknak, de alacsony ellenállást a zérus-sorozatú áramnak, mivel ugyanazon fázison belül a két tekercs ellentétes polaritással van sorban kapcsolva—az általuk indukált elektromotív erők mértékben egyenlőek, de irányban ellentétesek, így kiejtik egymást.

Sok árdelektromos transzformátor kizárólag alacsony ellenállású nullpontot biztosít, és nem lát el másodlagos terhelést; ezért sokan nincsenek másodlagos tekercsük. Normál hálózati működés során az árdelektromos transzformátor lényegében üres állapotban működik. Azonban hiba esetén rövid ideig viszi a hibajáratot. Alacsony ellenállású földkapcsolt rendszerben, amikor egyfázisú földkapcsolási hiba történik, a nagyon érzékeny zérus-sorozatú védelem gyorsan felismeri és időszakosan elkülöníti a hibás vezetőt. 

Az árdelektromos transzformátor csak a hiba bekövetkezésének és a vezető zérus-sorozatú védelmének működésének rövid időköze alatt aktív. Ez alatt a zérus-sorozatú áram áthalad a nullponti földkapcsoló ellenállón és az árdelektromos transzformátoron, a következő képlet szerint: IR = U / R₁, ahol U a rendszer fázisfeszültsége, R₁ pedig a nullponti földkapcsoló ellenállás.

A hibák, amikor az árkör nem megbízhatóan kitiltható

• Az egyfázisú földkapcsolási hiba esetén az árkör intermitterens megszűnésével és újraindulásával a hiba árkörrel kapcsolatos túlfeszültségek amplitúdója elérheti a 4U (ahol U a fázisfeszültség csúcsértéke) vagy még magasabb értéket, hosszú ideig tartva. Ez súlyos veszélyt jelent az elektromos berendezések izolációjára, potenciálisan okozhat lebomlást a gyenge izolációs pontokon, és jelentős károkat eredményezhet.

• A hosszan tartó ívionizálás rombolja a környező levegő izoláló tulajdonságait, növelve a fázis közti rövidzárlatok esélyét.

• Ferromrezonanciás túlfeszültségek fordulhatnak elő, könnyen károsíthatják a feszültségtranszformátorokat és a villamvédőket—potenciálisan akár villamvédő robbanásokat is okozhatnak. Ezek a hatások súlyosan fenyegetik a hálózati berendezések izolációs integritását, és veszélyeztetik a teljes energiarendszer biztonságos működését.

Mik a pozitív-, negatív- és zérus-sorozatú áramok?

• Negatív-sorozatú áram: Az A fázis 120°-kal követi a B fázist, a B fázis 120°-kal követi a C fázist, és a C fázis 120°-kal követi az A fázist.

• Pozitív-sorozatú áram: Az A fázis 120°-kal előzi a B fázist, a B fázis 120°-kal előzi a C fázist, és a C fázis 120°-kal előzi az A fázist.

• Zérus-sorozatú áram: A három fázis (A, B, C) egybevágó—semelyik fázis sem előzi vagy követi a másikat.

Háromfázisú rövidzárlat esetén és normál működés során a rendszer csak pozitív-sorozatú komponenseket tartalmaz.
Egyfázisú földkapcsolási hiba esetén a rendszer pozitív-, negatív- és zérus-sorozatú komponenseket tartalmaz.
Kétfázisú rövidzárlat esetén a rendszer pozitív- és negatív-sorozatú komponenseket tartalmaz.
Kétfázisú földkapcsolási rövidzárlat esetén a rendszer pozitív-, negatív- és zérus-sorozatú komponenseket tartalmaz.

Az árdelektromos transzformátorok működési jellemzői

A talajzat-transzformátor normális hálózati működés közben üres terhelés mellett működik, és hibák esetén rövid ideig tartó túltöltést lát el. Összefoglalva, a talajzat-transzformátor függvénye, hogy készítsen egy mesterséges nullpontot a talajzati ellenállás csatlakoztatásához. Talajhiba esetén magas ellenállást mutat a pozitív- és negatív-sorrendű áramok számára, de alacsony ellenállást a nulla-sorrendű áramok számára, ezáltal garantálja a talajhiba-védelem megbízható működését.

Nullponttalajzat az ívkitörlő tekercs rendszerek révén

Amikor a hálózatban átmeneti egyfázisú talajhiba lép fel, ami rossz berendezéskéményeztetés, külső károsodás, operátori hiba, belső túlnyomás vagy bármilyen más oka miatt keletkezik, a talajhiba-áram induktív áramként halad át az ívkitörlő tekercsen, ami ellentétes irányba halad a kapacitív árammal. Ez lecsökkentheti a hibaponton áthaladó áramot nagyon kis értékre, vagy akár nulla értékre is, ezzel kitörölve az ívet és a vele járó veszélyeket. A hiba automatikusan tisztul, anélkül, hogy a relévédelem vagy a vezetékkesztyű aktiválódna, jelentősen javítva a villamosenergiaellátás megbízhatóságát.

Három kompenzációs működési mód

Van három különböző kompenzációs működési mód: alulkompenzáció, teljes kompenzáció és túlkompenzáció.

• Alulkompenzáció: A kompenzáció utáni induktív áram kisebb, mint a kapacitív áram.

• Túlkompenzáció: A kompenzáció utáni induktív áram nagyobb, mint a kapacitív áram.

• Teljes kompenzáció: A kompenzáció utáni induktív áram egyenlő a kapacitív árammal.

Kompenzációs mód használata a nullponttalajzatban az ívkitörlő tekercsek rendszereiben

Az ívkitörlő tekercs révén nullponttalajzatú rendszerekben a teljes kompenzáció elkerülendő. Függetlenül a rendszer nemegyensúlyi feszültség nagyságától, a teljes kompenzáció soros rezonanciát okozhat, amely veszélyesen magas feszültségeket eredményez az ívkitörlő tekercsen. Ezért a gyakorlatban túlkompenzációt vagy alulkompenzációt alkalmaznak, a leggyakrabban használt módszer a túlkompenzáció.

Fő oka a túlkompenzáció alkalmazásának

Az alulkompenzációs rendszerekben a hibák esetén könnyen nagy túlfeszültségek jelenhetnek meg. Például, ha részei a vonalakból hiba vagy egyéb ok miatt leválasztódnak, az alulkompenzációs rendszer lehet, hogy a teljes kompenzáció felé tolódik, ami soros rezonanciát okoz, és nagyon magas nullpont-elhelyezkedési feszültséget és túlfeszültséget eredményez. Az alulkompenzációs rendszerekben a nagy nullpont-elhelyezkedés fenyegeti a kéményeztetés integritását - egy hátrány, amely nem kerülhető el, amíg alulkompenzációval működünk.

Az alulkompenzációs rendszer normális működése közben jelentős háromfázisú nemegyensúly esetén nagyon magas ferromágneses rezonanciás túlfeszültségek jelenhetnek meg. Ez a jelenség az alulkompenzációs ívkitörlő tekercs (ahol ωL > 1/(3ωC₀)) és a vonal-kapacitás (3C₀) közötti ferromágneses rezonanciából ered. Ez a rezonancia nem fordul elő a túlkompenzáció esetén.

A villamosenergia-hálózatok folyamatosan bővülnek, és a hálózat kapacitása a földre nézve növekszik. Túlkompenzáció esetén az eredetileg telepített ívkitörlő tekercs továbbra is használható, még akkor is, ha végül alulkompenzáció felé tolódik. Ha azonban a rendszer alulkompenzációval indul, a bővítés azonnal további kompenzációs kapacitást igényel.

Túlkompenzáció esetén a hibaponton áthaladó áram induktív. Az ív kihaltatása után a hibás fázis feszültségének helyreállási sebessége lassabb, ami csökkenti az ív újraszületésének valószínűségét.

Túlkompenzáció esetén a rendszer frekvenciájának csökkenése csak ideiglenesen növeli a túlkompenzáció mértékét, ami a normál működés során nem jelent problémát. Az alulkompenzáció és a csökkenő frekvencia kombinációja azonban a rendszert a teljes kompenzáció felé tolhatja, ami növeli a nullpont-elhelyezkedési feszültséget.

Összefoglalás

A talajzat-transzformátor egyúttal állomás-szolgáltató transzformátor is, amely 35 kV-os feszültséget 380 V-os alacsony feszültségre csökkenti, hogy villanyt szolgáltasson akkumulátor töltéséhez, SVG ventilátorához, karbantartási fényszóróhoz és általános állomás-hozzájáruló terhelésekhez.

A modern villamosenergia-hálózatokban a kábelek széles körben cserélik a felegyenes vonalakat. Mivel a kábelvonallal összefüggő egyfázisú kapacitív talajhiba-áram sokkal nagyobb, mint a felegyenes vonalaknál, a nullponttalajzat az ívkitörlő tekercsek révén gyakran nem tudja kitörölni a hibairot és elnyomni a veszélyes rezonanciás túlfeszültségeket. Ezért az állomásunk alacsony-ellenállású nullponttalajzatot alkalmaz. Ez a megoldás hasonló a szilárdan talajzatú rendszerekhez, és szükséges a szingléfázisú talajhiba védelmét alkalmazni, ami vezetékkesztyűt vált ki. Egyfázisú talajhiba esetén a hibás áramutató gyorsan elkülönül.