Какие различия между заземляющим трансформатором и обычным трансформатором
Что такое заземляющий трансформатор?
Заземляющий трансформатор, сокращенно "заземляющий трансформатор", может быть классифицирован на масляный и сухой в зависимости от заполняющего среды; и на трехфазные и однофазные заземляющие трансформаторы в зависимости от числа фаз.
Разница между заземляющими трансформаторами и обычными трансформаторами
Целью заземляющего трансформатора является создание искусственной нейтральной точки для подключения дугогасительной катушки или резистора, когда система подключена по схеме треугольник (Δ) или звезда (Y) без доступной нейтральной точки. Такие трансформаторы используют соединение обмоток зигзагом (или "Z-типа"). Основное отличие от обычных трансформаторов заключается в том, что каждая фазная обмотка разделена на две группы, намотанные в противоположных направлениях на одном магнитопроводе. Этот дизайн позволяет нулевому последовательному магнитному потоку проходить через конечные части магнитопровода, тогда как в обычных трансформаторах нулевой последовательный поток проходит по путям утечки.
Таким образом, нулевое последовательное сопротивление Z-типа заземляющего трансформатора очень низкое (около 10 Ω), в то время как у обычного трансформатора оно значительно выше. Согласно техническим нормам, при использовании обычного трансформатора для подключения дугогасительной катушки емкость катушки не должна превышать 20% номинальной мощности трансформатора. В отличие от этого, Z-трансформатор может нести дугогасительную катушку на 90%–100% своей собственной мощности. Кроме того, заземляющие трансформаторы могут питать вторичные нагрузки и служить в качестве трансформаторов станционного питания, тем самым экономя инвестиционные затраты.
Принцип работы заземляющих трансформаторов
Заземляющий трансформатор искусственно создает нейтральную точку с заземляющим резистором, который обычно имеет очень низкое сопротивление (вообще требуется менее 5 ом). Благодаря своим электромагнитным характеристикам, заземляющий трансформатор представляет высокое сопротивление положительным и отрицательным последовательным токам, позволяя только небольшому возбуждающему току протекать в обмотках. На каждой конечной части магнитопровода две секции обмоток намотаны в противоположных направлениях. Когда равные нулевые последовательные токи протекают через эти обмотки на одной и той же конечной части, они демонстрируют низкое сопротивление, что приводит к минимальному падению напряжения.
При одиночном фазном замыкании на землю обмотки несут положительные, отрицательные и нулевые последовательные токи. Обмотка представляет высокое сопротивление положительным и отрицательным последовательным токам, но низкое сопротивление нулевым последовательным токам, поскольку в одной и той же фазе две обмотки соединены последовательно с противоположными полярностями — их индуцированные ЭДС равны по величине, но противоположны по направлению, таким образом, они взаимно компенсируются.
Многие заземляющие трансформаторы используются исключительно для обеспечения низкоомной нейтральной точки и не питают никаких вторичных нагрузок; поэтому многие из них спроектированы без вторичной обмотки. Во время нормальной работы сети заземляющий трансформатор работает практически в режиме холостого хода. Однако во время аварии он несет аварийный ток только на короткий промежуток времени. В системе с низкоомным заземлением, при возникновении одиночного фазного замыкания на землю, высокочувствительная защита нулевой последовательности быстро определяет и временно изолирует поврежденную линию питания.
Заземляющий трансформатор активен только в течение краткого интервала между возникновением аварии и действием защиты нулевой последовательности линии питания. В это время нулевой последовательный ток протекает через нейтральный заземляющий резистор и заземляющий трансформатор, следуя формуле: IR = U / R₁, где U — фазное напряжение системы, а R₁ — сопротивление нейтрального заземления.
Последствия, если дуга заземления не может быть надежно погашена
Периодическое угасание и воспламенение одиночной фазной дуги генерирует перенапряжения дугового заземления с амплитудой, достигающей 4U (где U — пиковая фазная напряженность) или даже выше, длительностью продолжительного времени. Это представляет серьезную угрозу для изоляции электрооборудования, потенциально вызывая пробои в слабых местах изоляции и приводя к значительным потерям.
Устойчивая дуга ионизирует окружающий воздух, ухудшая его изолирующие свойства и увеличивая вероятность короткого замыкания между фазами.
Может возникнуть феррорезонансное перенапряжение, легко повреждающее трансформаторы напряжения и ограничители перенапряжений — возможно, даже вызывая взрывы ограничителей. Эти последствия серьезно угрожают целостности изоляции оборудования сети и безопасной эксплуатации всей энергетической системы.
Что такое положительные, отрицательные и нулевые последовательные токи?
Отрицательный последовательный ток: Фаза A отстает от фазы B на 120°, фаза B отстает от фазы C на 120°, и фаза C отстает от фазы A на 120°.
Положительный последовательный ток: Фаза A опережает фазу B на 120°, фаза B опережает фазу C на 120°, и фаза C опережает фазу A на 120°.
Нулевой последовательный ток: все три фазы (A, B, C) находятся в фазе — ни одна фаза не опережает или отстает от другой.
Во время трехфазных коротких замыканий и нормальной работы системы содержат только положительные последовательные компоненты.
Во время одиночных фазных замыканий на землю система содержит положительные, отрицательные и нулевые последовательные компоненты.
Во время двухфазных коротких замыканий система содержит положительные и отрицательные последовательные компоненты.
Во время двухфазных замыканий на землю система содержит положительные, отрицательные и нулевые последовательные компоненты.
Операционные характеристики заземляющих трансформаторов
Трансформатор заземления работает без нагрузки при нормальной работе сети и испытывает кратковременную перегрузку при авариях. В общем, функция трансформатора заземления заключается в искусственном создании нейтральной точки для подключения резистора заземления. При однофазном замыкании на землю он имеет высокое сопротивление для положительных и отрицательных последовательностей тока, но низкое сопротивление для нулевой последовательности тока, обеспечивая надежную работу защиты от замыканий на землю.
Заземление нейтрали через системы гасящих катушек
При возникновении временного однофазного замыкания на землю в сети из-за плохой изоляции оборудования, внешнего повреждения, ошибки оператора, внутреннего перенапряжения или по любой другой причине, ток замыкания на землю проходит через гасящую катушку как индуктивный ток, который направлен противоположно емкостному току. Это может уменьшить ток в точке замыкания до очень малого значения или даже до нуля, тем самым погасив дугу и устранив связанные с ней опасности. Авария устраняется автоматически без срабатывания реле защиты или отключения выключателя, значительно повышая надежность электроснабжения.
Три режима компенсации
Существует три различных режима компенсации: недокомпенсация, полная компенсация и перекомпенсация.
Недокомпенсация: индуктивный ток после компенсации меньше емкостного тока.
Перекомпенсация: индуктивный ток после компенсации больше емкостного тока.
Полная компенсация: индуктивный ток после компенсации равен емкостному току.
Режим компенсации, используемый при заземлении нейтрали через гасящие катушки
В системах с заземлением нейтрали через гасящую катушку следует избегать полной компенсации. Независимо от величины несимметричного напряжения системы полная компенсация может вызвать последовательный резонанс, подвергая гасящую катушку опасно высоким напряжениям. Поэтому на практике применяется перекомпенсация или недокомпенсация, причем наиболее часто используется перекомпенсация.
Основные причины использования перекомпенсации
В системах с недокомпенсацией при авариях легко могут возникать высокие перенапряжения. Например, если часть линий отключена из-за аварии или по другим причинам, система с недокомпенсацией может сдвигаться к полной компенсации, вызывая последовательный резонанс и приводя к очень высокому напряжению смещения нейтрали и перенапряжению. Большое смещение нейтрали в системах с недокомпенсацией также угрожает целостности изоляции — это недостаток, который нельзя избежать, пока используется недокомпенсация.
При нормальной работе системы с недокомпенсацией с значительным трехфазным дисбалансом могут возникать очень высокие ферромагнитные резонансные перенапряжения. Этот феномен возникает из-за ферромагнитного резонанса между недокомпенсированной гасящей катушкой (где ωL > 1/(3ωC₀)) и емкостью линии (3C₀). Такой резонанс не происходит при перекомпенсации.
Энергетические системы постоянно расширяются, и емкость сети к земле увеличивается соответственно. При перекомпенсации первоначально установленная гасящая катушка может оставаться в эксплуатации некоторое время — даже если она в конечном итоге сдвинется к недокомпенсации. Однако, если система начинается с недокомпенсации, любое расширение немедленно требует дополнительной компенсационной мощности.
При перекомпенсации ток, протекающий через точку замыкания, является индуктивным. После погашения дуги скорость восстановления напряжения фазы с замыканием медленнее, что делает повторное возгорание дуги менее вероятным.
При перекомпенсации снижение частоты системы временно увеличивает степень перекомпенсации, что не представляет проблемы при нормальной работе. Наоборот, недокомпенсация в сочетании с пониженной частотой может приблизить систему к полной компенсации, что приводит к увеличению напряжения смещения нейтрали.
Резюме
Трансформатор заземления также выполняет функцию трансформатора собственных нужд, преобразуя напряжение 35 кВ в низкое напряжение 380 В для питания зарядных устройств аккумуляторов, вентиляторов СВГ, освещения для обслуживания и других вспомогательных нагрузок станции.
В современных энергосистемах кабели широко заменяют воздушные линии. Поскольку однофазный емкостный ток замыкания на землю в кабельных линиях намного больше, чем в воздушных, заземление нейтрали через гасящие катушки часто не может погасить дугу замыкания и подавить опасные резонансные перенапряжения. Поэтому наша подстанция использует схему заземления нейтрали с низким сопротивлением. Этот подход аналогичен системам с жестко заземленной нейтралью и требует установки защиты от однофазных замыканий на землю, которая срабатывает для отключения выключателей. При возникновении однофазного замыкания на землю поврежденная линия быстро изолируется.
