Wat zijn de verschillen tussen een aardingstransformator en een conventionele transformator?

Wat is een aardingstransformator?

Een aardingstransformator, afgekort als "aardingstransformator," kan worden ingedeeld in oliegedrenkt en droogtype volgens het vullingsmedium; en in driefase- en éénfase-aardingstransformators volgens het aantal fasen.

Verschil tussen aardingstransformators en conventionele transformators

Het doel van een aardingstransformator is om een kunstmatig neutraal punt te creëren voor het verbinden van een boogonderdrukkingsspoel of weerstand wanneer het systeem is verbonden in delta (Δ) of ster (Y) configuratie zonder toegankelijk neutraal punt. Dergelijke transformators gebruiken zigzag (of "Z-type") windingverbindingen. Het belangrijkste verschil met conventionele transformators is dat elke fase-winding wordt gesplitst in twee groepen die in tegengestelde richting op dezelfde magnetische kerns zijn gewikkeld. Dit ontwerp stelt toe dat nulsequentie-magnetische flux door de kerns kan stromen, terwijl bij conventionele transformators de nulsequentie-flux langs lekpaden reist. 

Daarom is de nulsequentie-impedantie van een Z-type aardingstransformator zeer laag (ongeveer 10 Ω), terwijl die van een conventionele transformator veel hoger is. Volgens technische voorschriften mag, wanneer een conventionele transformator wordt gebruikt om een boogonderdrukkingsspoel te verbinden, de spoelcapaciteit niet meer dan 20% van de genoemde capaciteit van de transformator bedragen. In tegenstelling daarmee kan een Z-type transformator een boogonderdrukkingsspoel dragen van 90% tot 100% van zijn eigen capaciteit. Bovendien kunnen aardingstransformators secundaire belastingen leveren en fungeren als stationsvoedingstransformators, waardoor investeringskosten worden bespaard.

Werkingsprincipe van aardingstransformators

Een aardingstransformator creëert kunstmatig een neutraal punt met een aardingsweerstand, die meestal een zeer lage weerstand heeft (meestal vereist om minder dan 5 ohm te zijn). Bovendien presenteert de aardingstransformator, vanwege zijn elektromagnetische eigenschappen, hoge impedantie voor positieve- en negatieve-sequentiestroom, zodat slechts een kleine opwekkingstroom door de windingen kan stromen. Op elke kerns zijn de twee windingdelen in tegengestelde richting gewikkeld. Wanneer gelijke nulsequentiestroom door deze windingen op dezelfde kerns stroomt, tonen ze lage impedantie, wat resulteert in minimale spanningval. 

Tijdens een aardingsschade dragen de windingen positieve-, negatieve- en nulsequentiestroom. De winding presenteert hoge impedantie voor positieve- en negatieve-sequentiestroom, maar lage impedantie voor nulsequentiestroom, omdat binnen dezelfde fase de twee windingen in serie zijn verbonden met tegengestelde polariteit—hun geïnduceerde elektromotiviteiten zijn gelijk in grootte, maar tegengesteld in richting, waardoor ze elkaar opheffen.

Veel aardingstransformators worden uitsluitend gebruikt om een laag-weerstandsneutraal punt te bieden en leveren geen secundaire belasting; daarom zijn er veel ontworpen zonder secundaire winding. Tijdens normaal netwerkbedrijf werkt de aardingstransformator in wezen in een leegstaat. Echter, tijdens een storing draagt hij slechts voor korte duur de foutstroom. In een laag-weerstandsgeaardeerd systeem, wanneer een enkelvoudige fasespanningsaarding optreedt, identificeert en isoleert een zeer gevoelige nulsequentiebescherming snel en tijdelijk de defecte voederlijn. 

De aardingstransformator is actief gedurende de korte periode tussen het optreden van de storing en het functioneren van de nulsequentiebescherming van de voederlijn. Tijdens deze periode stroomt nulsequentiestroom door de neutrale aardingsweerstand en de aardingstransformator, volgens de formule: IR = U / R₁, waarbij U de systeemfasenspanning is en R₁ de neutrale aardingsweerstand is.

Gevolgen wanneer de aardingsboog niet betrouwbaar kan worden uitgeschakeld

• Intermittente uitdoof en heraansteking van de enkelvoudige faseaarding veroorzaken aarding-boogoverspanningen met amplituden die oplopen tot 4U (waarbij U de piekfasenspanning is) of zelfs hoger, gedurende lange perioden. Dit vormt ernstige bedreigingen voor de isolatie van elektrische apparatuur, waardoor inslagen kunnen optreden op zwakke isolatiepunten, wat kan leiden tot aanzienlijke verliezen.

• Langdurige boogvorming ioniseert de omringende lucht, waardoor de isolatie-eigenschappen worden verlaagd en de kans op fase-tot-fase kortsluitingen toeneemt.

• Ferroresonante overspanningen kunnen optreden, die gemakkelijk spanningsverhoogers en overspanningsbeveiligingen kunnen beschadigen—met potentieel explosies van overspanningsbeveiligingen. Deze gevolgen vormen ernstige bedreigingen voor de isolatie-integriteit van netwerkapparatuur en bedreigen de veilige werking van het gehele elektriciteitsnet.

Wat zijn positieve-, negatieve- en nulsequentiestroom?

• Negatieve-sequentiestroom: Fase A loopt achter op Fase B met 120°, Fase B loopt achter op Fase C met 120°, en Fase C loopt achter op Fase A met 120°.

• Positieve-sequentiestroom: Fase A loopt voor op Fase B met 120°, Fase B loopt voor op Fase C met 120°, en Fase C loopt voor op Fase A met 120°.

• Nulsequentiestroom: Alle drie de fasen (A, B, C) zijn in fase—geen fase loopt voor of achter op een andere.

Tijdens driefase kortsluitingen en normale werking bevat het systeem alleen positieve-sequentiecomponenten.
Tijdens enkelvoudige faseaarding bevat het systeem positieve-, negatieve- en nulsequentiecomponenten.
Tijdens twee-fase kortsluitingen bevat het systeem positieve- en negatieve-sequentiecomponenten.
Tijdens twee-fase-aarding kortsluitingen bevat het systeem positieve-, negatieve- en nulsequentiecomponenten.

Werkingskenmerken van aardingstransformators

De aardingsversterker werkt onder leegloopcondities tijdens normaal netwerkbedrijf en ervaart korte overbelasting tijdens storingen. Samenvattend is de functie van een aardingsversterker om een neutraal punt te creëren voor het verbinden van een aardingweerstand. Tijdens een aardfout presenteert hij hoge impedantie voor positieve- en negatieve-sequentiestroom, maar lage impedantie voor nulsequentiestroom, waardoor betrouwbare werking van aardingsbeveiliging wordt gewaarborgd.

Neutraalaarding via boogdempersysteem

Wanneer er een tijdelijke eenfasige aardfout optreedt in het netwerk door slechte isolatie van apparatuur, externe schade, bedieningsfouten, interne overspanning of andere oorzaken, stroomt de aardingsstroom door de boogdemper als inductieve stroom, die tegengesteld is aan de capacitaire stroom. Dit kan de stroom op de foutplek verminderen tot een zeer kleine waarde of zelfs nul, waardoor de boog wordt gedoofd en de bijbehorende gevaren worden geëlimineerd. De fout verdwijnt automatisch zonder dat relaisbeveiliging of circuitbrekers worden getriggerd, wat de betrouwbaarheid van de energietoevoer aanzienlijk verbetert.

Drie compensatiemodi

Er zijn drie verschillende compensatiemodi: ondercompensatie, volledige compensatie en overcompensatie.

• Ondercompensatie: De inductieve stroom na compensatie is kleiner dan de capacitaire stroom.

• Overcompensatie: De inductieve stroom na compensatie is groter dan de capacitaire stroom.

• Volledige compensatie: De inductieve stroom na compensatie is gelijk aan de capacitaire stroom.

Compensatiemodus gebruikt bij neutraalaarding via boogdempersysteem

In systemen met neutrale aarding via een boogdemper moet volledige compensatie worden vermeden. Ongeacht de grootte van de systeemonevenwichtsspanning kan volledige compensatie serie-resonantie veroorzaken, waardoor de boogdemper blootgesteld wordt aan gevaarlijk hoge spanningen. Daarom wordt in de praktijk overcompensatie of ondercompensatie toegepast, waarbij overcompensatie de meest gebruikte modus is.

Belangrijkste redenen voor het toepassen van overcompensatie

In ondergecompenseerde systemen kunnen tijdens storingen gemakkelijk hoge overspanningen optreden. Bijvoorbeeld, als delen van de lijnen worden afgesneden vanwege een fout of andere oorzaken, kan een ondergecompenseerd systeem zich verplaatsen naar volledige compensatie, wat serie-resonantie veroorzaakt en resulteert in zeer hoge neutrale verschuivingsspanning en overspanning. Grote neutrale verschuiving in ondergecompenseerde systemen vormt ook een bedreiging voor de isolatie-integriteit, een tekortkoming die niet kan worden vermeden zolang ondercompensatie wordt toegepast.

Tijdens normale operatie van een ondergecompenseerd systeem met aanzienlijke driefase-onevenwichtigheid kunnen zeer hoge ferroresonante overspanningen optreden. Dit fenomeen ontstaat door ferromagnetische resonantie tussen de ondergecompenseerde boogdemper (waar ωL > 1/(3ωC₀)) en de lijncapaciteit (3C₀). Deze resonantie treedt niet op bij overcompensatie.

Krachtstroomsystemen breiden voortdurend uit, en de kapaciteit van het netwerk naar de aarde neemt daarop gepast toe. Met overcompensatie kan de oorspronkelijk geïnstalleerde boogdemper voor een bepaalde tijd in dienst blijven, zelfs als deze uiteindelijk naar ondercompensatie verschuift. Echter, als het systeem begint met ondercompensatie, vereist elke uitbreiding onmiddellijk extra compensatiecapaciteit.

Bij overcompensatie is de stroom die door het foutpunt stroomt inductief. Na het doven van de boog is de herstelsnelheid van de gesaboteerde fase-spanning trager, waardoor het heraansteken van de boog minder waarschijnlijk is.

Bij overcompensatie leidt een daling van de systeemfrequentie slechts tijdelijk tot een verhoogde mate van overcompensatie, wat geen probleem is tijdens normale operatie. Omgekeerd kan ondercompensatie gecombineerd met een lagere frequentie het systeem dichter bij volledige compensatie brengen, wat leidt tot een verhoogde neutrale verschuivingsspanning.

Samenvatting

De aardingsversterker fungeert ook als stationservice-transformator, die de spanning van 35 kV verlaagt naar 380 V laagspanning om stroom te leveren voor acculaading, SVG-ventilatorkracht, onderhoudsverlichting en algemene stationaire hulpbelastingen.

In moderne krachtstroomnetwerken vervangen kabels steeds meer bovengrondse lijnen. Aangezien de eenfasige capacitaire aardingsstroom van kabellijnen veel groter is dan die van bovengrondse lijnen, slaagt neutraalaarding via boogdempers vaak niet in het doven van de foutboog en het onderdrukken van gevaarlijke resonante overspanningen. Daarom past ons substation een laagohmige neutraalaardingsschema toe. Deze benadering is vergelijkbaar met sterk aangesloten neutrale systemen en vereist de installatie van een eenfasige aardingsbeveiliging die circuitbrekers activeert. Bij het optreden van een eenfasige aardingsfout wordt de defecte voederlijn snel geïsoleerd.