Jakie są różnice między transformatorem ziemnym a konwencjonalnym transformator?

Co to jest transformator ziemny?

Transformator ziemny, skrótowo nazywany "transformatorem ziemnym", można podzielić na mokry i suchy w zależności od środka wypełniającego; oraz na trójfazowy i jednofazowy transformator ziemny w zależności od liczby faz.

Różnice między transformatorami ziemnymi a konwencjonalnymi transformatorami

Celem transformatora ziemnego jest stworzenie sztucznego punktu neutralnego do połączenia cewki tłumiącej lub rezystora, gdy system jest połączony w konfiguracji trójkąta (Δ) lub gwiazdy (Y) bez dostępnego punktu neutralnego. Takie transformatory wykorzystują połączenia cewek typu zigzag (lub "Z-type"). Kluczową różnicą w porównaniu do konwencjonalnych transformatorów jest to, że każda cewka fazy jest podzielona na dwie grupy nawinięte w przeciwnych kierunkach na tym samym ramieniu rdzenia magnetycznego. Ta konstrukcja pozwala, aby strumień magnetyczny zerowej sekwencji przepływał przez ramiona rdzenia, podczas gdy w konwencjonalnych transformatorach strumień zerowej sekwencji przepływa po ścieżkach przeciekowych. 

Dlatego impedancja zerowej sekwencji transformatora ziemnego typu Z jest bardzo niska (około 10 Ω), podczas gdy impedancja konwencjonalnego transformatora jest znacznie wyższa. Zgodnie z przepisami technicznymi, przy użyciu konwencjonalnego transformatora do połączenia cewki tłumiącej, pojemność cewki nie może przekraczać 20% nominalnej pojemności transformatora. W przeciwieństwie do tego, transformator typu Z może przenosić cewkę tłumiącą w zakresie 90%–100% swojej własnej pojemności. Ponadto, transformatory ziemne mogą zaopatrywać obciążenia wtórne i służyć jako transformatory stacyjne, co pozwala oszczędzić na kosztach inwestycyjnych.

Zasada działania transformatorów ziemnych

Transformator ziemny sztucznie tworzy punkt neutralny z rezystorem ziemnym, który zwykle ma bardzo niską oporność (ogólnie wymagana poniżej 5 ohm). Ponadto, ze względu na swoje właściwości elektromagnetyczne, transformator ziemny prezentuje wysoką impedancję dla prądów pierwszej i drugiej sekwencji, umożliwiając przepływ tylko małego prądu pobudzającego w cewkach. Na każdym ramieniu rdzenia dwie części cewek są nawinięte w przeciwnych kierunkach. Gdy przez te cewki na tym samym ramieniu przepływają równe prądy zerowej sekwencji, prezentują one niską impedancję, co powoduje minimalny spadek napięcia. 

Podczas uszkodzenia ziemnego, cewki przenoszą prądy pierwszej, drugiej i zerowej sekwencji. Cewki prezentują wysoką impedancję dla prądów pierwszej i drugiej sekwencji, ale niską impedancję dla prądu zerowej sekwencji, ponieważ w tej samej fazie dwie cewki są połączone szeregowo z przeciwną biegunowością—ich indukowane siły elektromotoryczne są równe co do wartości, ale przeciwnie skierowane, co powoduje ich wzajemne wygaszenie.

Wiele transformatorów ziemnych służy wyłącznie do zapewnienia punktu neutralnego o niskiej oporności i nie zaopatruje żadnego obciążenia wtórnego; dlatego wiele z nich jest projektowanych bez cewki wtórnej. W normalnym działaniu sieci, transformator ziemny działa praktycznie w stanie bezobciążonym. Jednak podczas uszkodzenia, przenosi prąd uszkodzeniowy tylko przez krótki czas. W systemie z niską opornością ziemną, podczas wystąpienia uszkodzenia jednofazowego, bardzo czuła ochrona zerowej sekwencji szybko identyfikuje i tymczasowo izoluje uszkodzoną linię. 

Transformator ziemny jest aktywny tylko przez krótki okres między wystąpieniem uszkodzenia a działaniem ochrony zerowej sekwencji linii. W tym czasie, prąd zerowej sekwencji przepływa przez rezystor ziemny i transformator ziemny, zgodnie ze wzorem: IR = U / R₁, gdzie U to napięcie fazowe systemu, a R₁ to oporność ziemna.

Konsekwencje, gdy łuk ziemny nie może być niezawodnie zgaszony

• Przerywane gaszenie i ponowne zapalanie łuku jednofazowego generuje nadnapięcia łuku ziemnego o amplitudzie dochodzącej nawet do 4U (gdzie U to maksymalne napięcie fazowe) lub nawet wyższe, trwające przez dłuższy czas. To stanowi poważne zagrożenia dla izolacji urządzeń elektrycznych, potencjalnie prowadząc do przebicia w słabych punktach izolacji i powodując znaczące straty.

• Trwałe łukowanie jonizuje otaczające powietrze, degradując jego właściwości izolacyjne i zwiększając prawdopodobieństwo przekroczeń między fazami.

• Mogą wystąpić nadnapięcia ferrorezonansowe, łatwo niszcząc transformatory napięcia i ograniczniki napięcia—potencjalnie prowadząc do eksplozji ograniczników. Te konsekwencje poważnie zagrożają integralnością izolacji sprzętu sieciowego i bezpieczeństwem całego systemu energetycznego.

Co to są prądy pierwszej, drugiej i zerowej sekwencji?

• Prąd drugiej sekwencji: Faza A opóźniona względem Fazy B o 120°, Faza B opóźniona względem Fazy C o 120°, a Faza C opóźniona względem Fazy A o 120°.

• Prąd pierwszej sekwencji: Faza A wyprzedza Fazę B o 120°, Faza B wyprzedza Fazę C o 120°, a Faza C wyprzedza Fazę A o 120°.

• Prąd zerowej sekwencji: wszystkie trzy fazy (A, B, C) są w fazie—żadna faza nie wyprzedza ani nie opóźnia innej.

Podczas uszkodzeń trójfazowych i w normalnym działaniu, system zawiera tylko składowe pierwszej sekwencji.
Podczas uszkodzeń jednofazowych, system zawiera składowe pierwszej, drugiej i zerowej sekwencji.
Podczas uszkodzeń dwufazowych, system zawiera składowe pierwszej i drugiej sekwencji.
Podczas uszkodzeń dwufazowych do ziemi, system zawiera składowe pierwszej, drugiej i zerowej sekwencji.

Charakterystyka pracy transformatorów ziemnych

Tranzystor ziemny działa w warunkach bez obciążenia podczas normalnej pracy sieci i doświadcza krótkotrwałego przeciążenia podczas awarii. W skrócie, funkcja tranzystora ziemnego polega na sztucznym tworzeniu punktu neutralnego do połączenia rezystora ziemnego. Podczas awarii ziemnej występuje wysoka impedancja dla prądów sekwencyjnych dodatnich i ujemnych, ale niska impedancja dla prądu sekwencji zerowej, zapewniając niezawodne działanie ochrony przed awariami ziemnymi.

Ziemienie neutralne za pomocą systemów cewek tłumienia łuku

Gdy w sieci wystąpi przejściowa jednofazowa awaria ziemna spowodowana słabą izolacją sprzętu, zewnętrznymi uszkodzeniami, błędem operatora, wewnętrznym przepięciem lub inną przyczyną, prąd awarii ziemnej płynie przez cewkę tłumienia łuku jako prąd indukcyjny, który jest przeciwny kierunkowi prądu kapacytarnego. To może zredukować prąd w miejscu awarii do bardzo małej wartości, a nawet do zera, co prowadzi do zgaszenia łuku i eliminacji związanych z nim zagrożeń. Awaria usuwa się automatycznie bez wyzwalania ochrony relacyjnej ani odłączania przekaźników, znacznie poprawiając niezawodność dostawy energii.

Trzy tryby kompensacji operacyjnej

Istnieją trzy różne tryby kompensacji operacyjnej: niedokompensacja, pełna kompensacja i nadkompensacja.

• Niedokompensacja: Prąd indukcyjny po kompensacji jest mniejszy niż prąd kapacytarny.

• Nadkompensacja: Prąd indukcyjny po kompensacji jest większy niż prąd kapacytarny.

• Pełna kompensacja: Prąd indukcyjny po kompensacji równa się prądowi kapacytarnemu.

Tryb kompensacji stosowany w systemach ziemienia neutralnego za pomocą cewki tłumienia łuku

W systemach z ziemieniem neutralnym przez cewkę tłumienia łuku należy unikać pełnej kompensacji. Niezależnie od wielkości napięcia nierównowagi systemu, pełna kompensacja może powodować rezonans szeregowy, narażając cewkę tłumienia łuku na niebezpiecznie wysokie napięcia. Dlatego w praktyce stosuje się nadkompensację lub niedokompensację, przy czym najczęściej stosowanym trybem jest nadkompensacja.

Główne powody stosowania nadkompensacji

W systemach niedokompensowanych łatwo mogą wystąpić wysokie przepięcia podczas awarii. Na przykład, jeśli część linii zostanie odłączona z powodu awarii lub innych przyczyn, system niedokompensowany może przesunąć się w stronę pełnej kompensacji, powodując rezonans szeregowy i powodując bardzo wysokie napięcie przemieszczenia neutralnego i przepięcie. Duże przemieszczenie neutralne w systemach niedokompensowanych również zagraża integralności izolacji — to jest wada, której nie można uniknąć, dopóki stosowana jest niedokompensacja.

Podczas normalnej pracy systemu niedokompensowanego z istotną nierównowagą trójfazową mogą wystąpić bardzo wysokie przepięcia ferromagnetyczne. Ten fenomen wynika z rezonansu ferromagnetycznego między niedokompensowaną cewką tłumienia łuku (gdzie ωL > 1/(3ωC₀)) a pojemnością linii (3C₀). Taki rezonans nie występuje przy nadkompensacji.

Systemy energetyczne ciągle się rozszerzają, a ich pojemność względem ziemi也随之增加。在过补偿的情况下，最初安装的消弧线圈可以在一段时间内继续使用——即使它最终转向欠补偿。然而，如果系统从欠补偿开始，任何扩展都会立即需要额外的补偿容量。 在过补偿下，流经故障点的电流是感性的。电弧熄灭后，故障相电压的恢复速度较慢，使电弧重燃的可能性降低。 在过补偿下，系统频率的降低只会暂时增加过补偿的程度，在正常运行中不会造成问题。相反，欠补偿结合频率降低可能会使系统接近全补偿，导致中性点位移电压增加。 **总结** 接地变压器还作为站用变压器使用，将35 kV电压降压至380 V低压，为电池充电、SVG风扇电源、维护照明和一般站用辅助负荷供电。 在现代电网中，电缆正在广泛取代架空线路。由于电缆线路的单相容性接地故障电流远大于架空线路，通过消弧线圈进行中性点接地往往无法熄灭故障电弧并抑制危险的谐振过电压。因此，我们的变电站采用低电阻中性点接地方案。这种方法类似于固态接地中性系统，需要安装单相接地故障保护，以操作断路器。一旦发生单相接地故障，故障馈线会被迅速隔离。 请允许我继续翻译剩余的部分： ```html

Podsumowanie

Tranzystor ziemny funkcjonuje również jako transformator stacyjny, obniżając napięcie 35 kV do napięcia niskiego 380 V, aby dostarczyć energię do ładowania baterii, zasilania wentylatorów SVG, oświetlenia serwisowego i ogólnych obciążeń pomocniczych stacji.

W nowoczesnych sieciach energetycznych, kabiny są powszechnie zastępowane liniami przewodów. Ponieważ jednofazowy prąd kapacytarny ziemny linii kablowych jest znacznie większy niż linii przewodowych, ziemienie neutralne za pomocą cewek tłumienia łuku często nie jest w stanie zgaszyć łuku awaryjnego i stłumić niebezpiecznych przepięć rezonansowych. Dlatego nasza podstacja stosuje schemat ziemienia neutralnego z niską rezystancją. Ten podejście jest podobne do systemów z solidnie ziemioną neutralą i wymaga instalacji ochrony przed jednofazowymi awariami ziemnymi, która działa na odłączenie przekaźników. Po wystąpieniu jednofazowej awarii ziemnej, uszkodzony pas jest szybko izolowany.