Kādas ir atšķirības starp aizemniecības transformatoru un parastu transformatoru?

Kas ir zemēšanas transformators?

Zemēšanas transformators, saīsināti „zemēšanas transformators”, atkarībā no pildījuma materiāla var tikt klasificēts kā eļļas un sausais tips; atkarībā no fāžu skaita – kā trīsfāžu un vienfāžu zemēšanas transformatori.

Atšķirība starp zemēšanas un parastajiem transformatoriem

Zemēšanas transformatora mērķis ir izveidot mākslīgu neitrālo punktu loka dzēsēja spoles vai pretestības pievienošanai, kad sistēma ir savienota trijstūrī (Δ) vai zvaigznē (Y), bet nav pieejams neitrāls punkts. Šādi transformatori izmanto zigzagveida (vai „Z tipa”) tinumu savienojumus. Galvenā atšķirība no parastajiem transformatoriem ir tāda, ka katrs fāzes tinums ir sadalīts divās grupās, kas uz viena un tā paša magnētiskā serdeņa ir aptītas pretējās virzienos. Šāds dizains ļauj nulles secības magnētiskajam plūsmam plūst caur serdes kājiņām, kamēr parastos transformatoros nulles secības plūsma iet pa noplūdes ceļiem. 

Tādēļ Z tipa zemēšanas transformatora nulles secības pretestība ir ļoti zema (apmēram 10 Ω), kamēr parastā transformatora tā ir daudz augstāka. Saskaņā ar tehniskajiem noteikumiem, izmantojot parasto transformatoru, lai pievienotu loka dzēsēja spoli, spoles jaudai nedrīkst pārsniegt 20 % no transformatora vērtības jaudas. Savukārt Z tipa transformators var nest loka dzēsēja spoli 90–100 % no savas paša jaudas. Turklāt zemēšanas transformatori var nodrošināt sekundāras slodzes un kalpot kā staciju darba transformatori, tādējādi ietaupot investīciju izmaksas.

Zemēšanas transformatoru darbības princips

Zemēšanas transformators mākslīgi izveido neitrālu punktu ar zemēšanas pretestību, kuras pretestība parasti ir ļoti zema (vispārīgi prasīts būt mazākam par 5 omiem). Turklāt, dēļ tā elektromagnētiskajām īpašībām, zemēšanas transformators pozitīvajām un negatīvajām secības strāvām rāda augstu pretestību, ļaujot tinumos plūst tikai nelielai magnētiskajai strāvai. Katrā serdeņa kājiņā abas tinumu daļas ir aptītas pretējos virzienos. Kad caur šiem tinumiem uz tās pašas kājiņas plūst vienādas nulles secības strāvas, tās rāda zemu pretestību, rezultātā minimālu sprieguma kritumu. 

Zemes bojājuma gadījumā tinumos plūst pozitīvās, negatīvās un nulles secības strāvas. Tinums rāda augstu pretestību pozitīvajām un negatīvajām secības strāvām, bet zemu pretestību nulles secības strāvai, jo vienas un tās pašas fāzes ietvaros abi tinumi ir savienoti virknē ar pretēju polaritāti – to inducētie elektrodzinējspēki ir vienādi pēc lieluma, bet pretēji pēc virziena, tādējādi kompensējoties.

Daudzi zemēšanas transformatori tiek izmantoti tikai, lai nodrošinātu zemas pretestības neitrālo punktu un nepievada nekādu sekundāru slodzi; tāpēc daudzi ir konstruēti bez sekundārā tinuma. Normālā tīkla darbībā zemēšanas transformators darbojas gandrīz bezslodzes stāvoklī. Tomēr bojājuma gadījumā tas pārvada bojājuma strāvu tikai īsu laiku. Zemas pretestības zemētā sistēmā, kad notiek vienas fāzes zemes bojājums, ļoti jutīga nulles secības aizsardzība ātri identificē un pagaidu izslēdz bojāto barotni. 

Zemēšanas transformators ir aktīvs tikai īsā intervālā starp bojājuma rašanos un barotnes nulles secības aizsardzības aktivizēšanos. Šajā laikā nulles secības strāva plūst caur neitrālās zemēšanas pretestības un zemēšanas transformatoru, saskaņā ar formulu: IR = U / R₁, kur U ir sistēmas fāzes spriegums un R₁ ir neitrālās zemēšanas pretestība.

Sekas, ja zemes loks netiek uzticami nodzēsts

• Periodiska vienas fāzes zemes loka dzēšana un aizdegšanās rada loka-zemes pārspriegumus ar amplitūdu līdz pat 4U (kur U ir fāzes virsotnes spriegums) vai pat augstāku, kas ilgst ilgāku laiku. Tas rada nopietnu draudu elektrisko iekārtu izolācijai, potenciāli izraisot izlēkumu vājos izolācijas punktos un radot ievērojamas zaudējumus.

• Ilgstošs loks jonizē apkārtējo gaisu, pasliktina tā izolācijas īpašības un palielina fāžu starpības īssavienojuma iespējamību.

• Var rasties ferorezonances pārspriegumi, kas viegli bojā sprieguma transformatorus un pārsprieguma aizsargierīces – pat var izraisīt aizsargierīču sprādzienu. Šīs sekas nopietni apdraud tīkla aprīkojuma izolācijas integritāti un apdraud visu enerģētiskās sistēmas drošu darbību.

Kas ir pozitīvās, negatīvās un nulles secības strāvas?

• Negatīvās secības strāva: fāze A atpaliek no fāzes B par 120°, fāze B atpaliek no fāzes C par 120° un fāze C atpaliek no fāzes A par 120°.

• Pozitīvās secības strāva: fāze A iepriekšējo fāzi B par 120°, fāze B iepriekšējo fāzi C par 120° un fāze C iepriekšējo fāzi A par 120°.

• Nulles secības strāva: visas trīs fāzes (A, B, C) ir vienā fāzē – neviena fāze neiepriekšo vai neatpaliek no citas.

Trīsfāžu īssavienojuma bojājumu un normālās darbības laikā sistēmā ir tikai pozitīvās secības komponentes.
Vienas fāzes zemes bojājumu gadījumā sistēmā ir pozitīvās, negatīvās un nulles secības komponentes.
Divu fāžu īssavienojuma bojājumu laikā sistēmā ir pozitīvās un negatīvās secības komponentes.
Divu fāžu zemes īssavienojuma bojājumu laikā sistēmā ir pozitīvās, negatīvās un nulles secības komponentes.

Zemēšanas transformatoru darbības raksturojums

Pārtraukuma transformators normālajā tīkla darbībā strādā bez ielādes un piedzīvo īsu pārmērīgo ielādi pie kļūdām. Kopumā pārtraukuma transformatora funkcija ir veidot mānīgu punktu, lai pieslēgtu pārtraukuma rezistoru. Pie zemes kļūdas tas rāda augstu impedanci pozitīvajiem un negatīvajiem sekvences strāvēm, bet zemu impedanci nulles sekvences strāvēm, nodrošinot uzticamu zemes kļūdu aizsardzības darbību.

Neitrālās zemes saite ar loks izdzēšanas spuldzes sistēmām

Ja tīklā notiek pagaidu vienfazu zemes kļūda, radusies dēļ nepilnīgā aprīkojuma izolecijas, ārējiem bojājumiem, operatora kļūdām, iekšējam pārspriegumam vai jebkurai citai cēlonī, zemes kļūdas strāve plūst caur loks izdzēšanas spuldzi kā induktīvā strāve, kas ir pretēja ar kapacitīvā strāve. Tas var samazināt strāvi kļūdas punktā līdz ļoti mazai vērtībai vai pat nullei, tādējādi izdzēšot lokā un izbeidzot saistīto apdraudējumu. Kļūda tiek automātiski novērsta bez releja aizsardzības aktivizēšanas vai slēglauža trigerēšanas, būtiski paaugstinot elektroenerģijas piegādes uzticamību.

Trīs kompensācijas darbības režīmi

Ir trīs dažādi kompensācijas darbības režīmi: nepietiekama kompensācija, pilna kompensācija un pārsnieguma kompensācija.

• Nepietiekama kompensācija: Induktīvā strāve pēc kompensācijas ir mazāka par kapacitīvā strāvi.

• Pārsnieguma kompensācija: Induktīvā strāve pēc kompensācijas ir lielāka par kapacitīvā strāvi.

• Pilna kompensācija: Induktīvā strāve pēc kompensācijas vienāda ar kapacitīvā strāvi.

Kompensācijas režīms, kas tiek izmantots neitrālās zemes saitei ar loks izdzēšanas spuldzes sistēmās

Sistēmās ar neitrālo zemi caur loks izdzēšanas spuldzi jāizvairās no pilnas kompensācijas. Neatkarīgi no sistēmas nemēra sprieguma lieluma, pilna kompensācija var izraisīt seriālo rezonansi, dēļ kura loks izdzēšanas spuldze tiek pakļauta briesmami augstiem spriegumiem. Tādēļ praksē tiek izmantota pārsnieguma kompensācija vai nepietiekama kompensācija, kur pārsnieguma kompensācija ir visizplatītākā metode.

Galvenie iemesli, kuru dēļ tiek izmantota pārsnieguma kompensācija

Nepietiekamas kompensācijas sistēmās pie kļūdām viegli var rasties augsti pārspriegumi. Piemēram, ja daļa līnijas tiek atslēgta dēļ kļūdas vai citas iemesla, nepietiekama kompensācija var mainīties uz pilnu kompensāciju, izraisot seriālo rezonansi un ļoti augstu neitrālo pārbīdi un pārspriegumu. Lielā neitrālā pārbīde nepietiekamas kompensācijas sistēmās apdraud izolācijas integritāti — šis trūkums nevar tikt izvairīts, kamēr tiek izmantota nepietiekama kompensācija.

Nepietiekamas kompensācijas sistēmas normālajā darbībā ar zemāku trimfazu saskaņotību var rasties ļoti augsti feromagnētiski rezonanses pārspriegumi. Šis fenomens rodas no feromagnētiskās rezonances starp nepietiekami kompensēto loks izdzēšanas spuldzi (kur ωL > 1/(3ωC₀)) un līnijas kapacitānci (3C₀). Šāda rezonansa nav pie pārsnieguma kompensācijas.

Elektrosistēmas nepārtraukti paplašinās, un tīkla kapacitānci pret zemi attiecīgi palielinās. Ar pārsniegumu kompensāciju, sākotnēji instalētā loks izdzēšanas spuldze var palikt rīcībā ilgāku laiku — pat ja galu galā tā pāriet uz nepietiekamu kompensāciju. Tomēr, ja sistēma sākas ar nepietiekamu kompensāciju, jebkura paplašināšanās tūlīt prasa papildu kompensācijas jaudu.

Ar pārsniegumu kompensāciju, strāve, kas plūst caur kļūdas punktu, ir induktīva. Pēc loka izdzēšanas, kļūdainā fāzes sprieguma atjaunošanās ātrums ir lēnāks, padarot loka atkal izcelšanos mazāk iespējamu.

Pie pārsnieguma kompensācijas, sistēmas frekvences samazināšanās tikai pagaidu laikā palielina pārsnieguma kompensācijas grādu, kas neatrisina problēmu normālajā darbībā. Otrādi, nepietiekama kompensācija kopā ar samazinātu frekvenci var tuvināt sistēmu pilnai kompensācijai, palielinot neitrālo pārbīdi.

Kopsavilkums

Pārtraukuma transformators arī darbojas kā stacijas servisa transformators, samazinot 35 kV spriegumu līdz 380 V zemspriegumam, lai sniegtu enerģiju akumulatoru uzlādēšanai, SVG ventilatoru enerģijai, remonta apgaismojumam un vispārējai stacijas palīgjomas enerģijai.

Modernos elektrotīklos kabeļi plaši aizstāj gaisā izvietotas līnijas. Jo vienfazu kapacitīvā zemes kļūdas strāve kabeļu līnijās ir daudz lielāka nekā gaisā izvietotajās līnijās, neitrālās zemes saite ar loks izdzēšanas spuldzes bieži neizdzēš kļūdas loku un neapspiež briesmīgos rezonanses pārspriegumus. Tādēļ mūsu pārvadēšanas stacija izmanto zema rezistences neitrālās zemes saites shēmu. Šis pieeja ir līdzīga stipri zemes saistītajām neitrālajām sistēmām un prasa vienfazu zemes kļūdas aizsardzības ierīču instalēšanu, kas aktīvē slēglaužu triecienus. Kad notiek vienfazu zemes kļūda, kļūdainā līnija tiek ātri izolēta.