Hva er forskjellene mellom en jordtransformator og en konvensjonell transformator?

Hva er en jordtransformator?

En jordtransformator, forkortet som "jordtransformator," kan deles inn i olje-fylt og tørrtype basert på fyllingsmedium; og i trefas- og enkelfase-jordtransformatorer basert på antall faser.

Forskjell mellom jordtransformatorer og konvensjonelle transformatorer

Formålet med en jordtransformator er å opprette et kunstgjort nøytralpunkt for tilkobling av en buelukningsspole eller motstand når systemet er koblet i trekant (Δ) eller stjerne (Y) konfigurasjon uten et tilgjengelig nøytralpunkt. Slike transformatorer bruker zikkurat (eller "Z-type") spoleforbindelser. Den viktigste forskjellen fra konvensjonelle transformatorer er at hver fase-spole er delt inn i to grupper vindet i motsatt retning på samme magnetiske kjernelimb. Dette designet tillater nullsekvensmagnetflukt å strømme gjennom kjernelimene, mens i konvensjonelle transformatorer, nullsekvensflukt beveger seg langs lekkasjeveier. 

Derfor er nullsekvensimpedansen til en Z-type jordtransformator veldig lav (omkring 10 Ω), mens den for en konvensjonell transformator er mye høyere. Ifølge tekniske retningslinjer, når en konvensjonell transformator brukes til å koble en buelukningsspole, må spolekapasiteten ikke overstige 20% av transformatorens nominelle kapasitet. I motsetning til dette kan en Z-type transformator bære en buelukningsspole på 90%–100% av sin egen kapasitet. I tillegg kan jordtransformatorer forsyne sekundærlast og fungere som stasjonstransformatorer, noe som reduserer investeringskostnadene.

Arbeidsprinsipp for jordtransformatorer

En jordtransformator skaper kunstgjort et nøytralpunkt med en jordmotstand, som typisk har en veldig lav motstand (generelt kreves det at den er mindre enn 5 ohm). I tillegg, på grunn av dens elektromagnetiske egenskaper, viser jordtransformatoren høy impedans for positiv- og negativsekvensstrømmer, og lar bare en liten oppladningsstrøm strømme i spolene. På hver kjernelimb er de to spoleseksjonene vindet i motsatt retning. Når like nullsekvensstrømmer strømmer gjennom disse spolene på samme limb, viser de lav impedans, noe som resulterer i minimal spændingsfall. 

Ved en jordfeil, bærer spolene positiv-, negativ- og nullsekvensstrømmer. Spolen viser høy impedans for positiv- og negativsekvensstrømmer, men lav impedans for nullsekvensstrømmen fordi, innenfor samme fase, er de to spolene koblet i serie med motsatt polaritet—deres induerte elektromotoriske krefter er like store, men motsatt rettet, slik at de slår hverandre ut.

Mange jordtransformatorer brukes bare for å gi et lavmotstands nøytralpunkt og leverer ikke noen sekundærlast; derfor er mange designet uten en sekundærspole. Under normal nettoperasjon fungerer jordtransformatoren nesten uten last. Men under en feil, bærer den feilstrøm bare i en kort periode. I et lavmotstands jordet system, når en enkelfase jordfeil oppstår, identifiserer høyfølsom nullsekvensbeskyttelse raskt og isolerer midlertidig den feilaktige feederen. 

Jordtransformatoren er aktiv bare i den korte perioden mellom feiloppståelse og operasjon av feeders nullsekvensbeskyttelse. I denne tiden strømmer nullsekvensstrøm gjennom det neutrale jordmotstanden og jordtransformator, etter formelen: IR = U / R₁, der U er systemets fase spenning og R₁ er den neutrale jordmotstanden.

Konsekvenser når bue ikke kan slukkes pålitelig

• Intermittent slukking og tennende av en enkelfase jordbue genererer bue-jord overvoltage med amplituder som når opp til 4U (der U er toppfase spenningen) eller enda høyere, og vare over lengre perioder. Dette stiller alvorlige trusler mot isoleringen av elektrisk utstyr, potensielt årsaker til nedbrudd ved svake isoleringspunkter og føre til betydelige tap.

• Varig bue ioniserer omgivende luft, svekker dens isolerende egenskaper og øker sannsynligheten for fasen til fase kortslutning.

• Ferroresonante overvoltage kan oppstå, lett skade spenningstransformatorer og lynnedslagssikrere—potensielt til og med årsake eksplosjon av sikrere. Disse konsekvensene utgjør alvorlige trusler mot isolasjonsintegriteten av nettutstyr og truer sikkerheten i hele strømsystemet.

Hva er positive-, negative- og nullsekvensstrømmer?

• Negativsekvensstrøm: Fase A kommer etter Fase B med 120°, Fase B kommer etter Fase C med 120°, og Fase C kommer etter Fase A med 120°.

• Positivsekvensstrøm: Fase A ligger foran Fase B med 120°, Fase B ligger foran Fase C med 120°, og Fase C ligger foran Fase A med 120°.

• Nullsekvensstrøm: Alle tre faser (A, B, C) er i fase—ingen fase ligger foran eller etter en annen.

Under trefase kortslutningfeil og normal drift inneholder systemet bare positive sekvenskomponenter.
Under enkelfase jordfeil inneholder systemet positive-, negative- og nullsekvenskomponenter.
Under tofase kortslutningfeil inneholder systemet positive- og negative-sekvenskomponenter.
Under tofase til jord kortslutningfeil inneholder systemet positive-, negative- og nullsekvenskomponenter.

Driftsegenskaper for jordtransformatorer

Jordtransformator opererer under tomme lastforhold i normalt nettverksdrift og opplever kortvarig overbelastning ved feil. Sammenfattet sett er funksjonen til en jordtransformator å skape et kunstgjort nøytralpunkt for tilkobling av en jordmotstand. Ved en jordfeil viser den høy impedans mot positiv- og negativsekvensstrøm, men lav impedans mot nullsekvensstrøm, noe som sikrer pålitelig drift av jordfeilsbeskyttelse.

Nøytral jording via bukeslukningsspoletsystemer

Når det oppstår en midlertidig enefase jordfeil i nettet på grunn av dårlig utstyrisolering, eksterne skader, operatørfeil, interne overspenninger eller andre årsaker, strømmer jordfeilstrømmen gjennom bukeslukningsspolet som induktiv strøm, som er motsatt rettet til kapasitiv strøm. Dette kan redusere strømmen ved feilpunktet til et veldig lite verdi eller enda null, noe som slukker bue og eliminerer forbundne farer. Feilen ryddes automatisk uten å utløse relébeskyttelse eller kretsavbryterutslag, noe som betydelig forbedrer strømforsyningsreliabiliteten.

Tre kompensasjonsdriftmodi

Det finnes tre forskjellige kompensasjonsdriftmodi: underkompensasjon, full kompensasjon og overkompensasjon.

• Underkompensasjon: Den induktive strømmen etter kompensasjon er mindre enn den kapasitive strømmen.

• Overkompensasjon: Den induktive strømmen etter kompensasjon er større enn den kapasitive strømmen.

• Full kompensasjon: Den induktive strømmen etter kompensasjon er lik den kapasitive strømmen.

Kompensasjonsmodus brukt i nøytral jording via bukeslukningsspoletsystemer

I systemer med nøytral jording gjennom bukeslukningsspolet må full kompensasjon unngås. Uansett omfang av systemets ubalanse spenning kan full kompensasjon føre til serie-resonans, som utsatter bukeslukningsspolet for farlig høye spenninger. Derfor blir overkompensasjon eller underkompensasjon benyttet i praksis, med overkompensasjon som den mest brukte modusen.

Hovedgrunner for å velge overkompensasjon

I underkompenserte systemer kan det lett oppstå høye overvoltage under feil. For eksempel, hvis deler av linjene kobles fra på grunn av en feil eller andre årsaker, kan et underkompensert system bevege seg mot full kompensasjon, hvilket fører til serie-resonans og resulterer i veldig høy nøytral forskyvningsspenning og overvoltage. Stor nøytral forskyvning i underkompenserte systemer truer også isolasjonens integritet—en ulempe som ikke kan unngås så lenge underkompensasjon benyttes.

Under normal drift av et underkompensert system med betydelig trefase ubalanse kan det oppstå veldig høye ferromagnetiske resonanseovervoltage. Dette fenomenet oppstår av ferromagnetisk resonans mellom det underkompenserte bukeslukningsspolet (hvor ωL > 1/(3ωC₀)) og linje-kapasitansen (3C₀). Slik resonans forekommer ikke med overkompensasjon.

Kraftsystemer utvides kontinuerlig, og nettets kapasitivitet til jorden øker dermed. Med overkompensasjon kan den opprinnelige installerte bukeslukningsspolet forbli i drift en stund—selv om den til slutt beveger seg mot underkompensasjon. Men hvis systemet starter med underkompensasjon, krever enhver utvidelse umiddelbart ytterligere kompensasjonskapasitet.

Med overkompensasjon er strømmen som strømmer gjennom feilpunktet induktiv. Etter bueslukking er gjenopprettingshastigheten for spenningen i den defekte fasen saktere, noe som gjør det mindre sannsynlig at bue enttar igjen.

Ved overkompensasjon fører en reduksjon i systemfrekvens bare til en midlertidig økning i graden av overkompensasjon, noe som ikke er problematisk under normal drift. I motsetning til dette kan underkompensasjon kombinert med redusert frekvens bringe systemet nærmere full kompensasjon, noe som fører til økt nøytral forskyvningsspenning.

Sammenfattende

Jordtransformator fungerer også som en stasjonstransformator, som senker 35 kV spenning til 380 V lav spenning for å forsyne strøm til batterilading, SVG ventilatorstrøm, vedlikeholdsbelysting og generelle stasjonsvedlikeholdsbelastninger.

I moderne kraftnett erstatter kabler stadig mer overhengende ledninger. Siden den enefase kapasitive jordfeilstrømmen i kabellinjer er mye større enn i overhengende ledninger, mislykkes nøytral jording via bukeslukningsspolet ofte med å slukke feilbuen og undertrykke farlige resonansovervoltage. Derfor benytter vår stasjon et lavresistans nøytral jordingsystem. Dette tilnærmer seg solidt jordede nøytralsystemer og krever installasjon av enefase jordfeilsbeskyttelse som virker for å utløse kretsavbrytere. Når det oppstår en enefase jordfeil, isoleres den feilaktige forsyningsledningen raskt.