Vad är skillnaderna mellan en jordningstransformator och en konventionell transformator?

Vad är en jordtransformator?

En jordtransformator, förkortad som "jordtransformator," kan indelas i oljebärande och torrtyp beroende på fyllningsmediet; och i trefas- och enfasjordtransformatorer beroende på antalet faser.

Skillnaden mellan jordtransformatorer och konventionella transformatorer

Syftet med en jordtransformator är att skapa en artificiell neutralpunkt för att ansluta en bukgensuppdämpande spole eller resistor när systemet är anslutet i delta (Δ) eller stjärn (Y) konfiguration utan en tillgänglig neutralpunkt. Sådana transformatorer använder zick-zack (eller "Z-typ") vindningsanslutningar. Den viktigaste skillnaden från konventionella transformatorer är att varje fasvindning delas in i två grupper virade i motsatt riktning på samma magnetisk kärnben. Detta design tillåter nollsekvensmagnetflöde att flöda genom kärnbenen, medan i konventionella transformatorer nollsekvensflödet följer läckagevägar. 

Därför är nollsekvensimpedansen hos en Z-typ jordtransformator mycket låg (omkring 10 Ω), medan den för en konventionell transformator är mycket högre. Enligt tekniska regler, när en konventionell transformator används för att ansluta en bukgensuppdämpande spole, får spolen inte överstiga 20% av transformatorns nominella kapacitet. I jämförelse kan en Z-typ transformator bära en bukgensuppdämpande spole på 90%–100% av sin egen kapacitet. Dessutom kan jordtransformatorer leverera sekundärlaster och fungera som stationstransformatorer, vilket leder till kostnadsbesparingar.

Arbetsprincip för jordtransformatorer

En jordtransformator skapar artificiellt en neutralpunkt med en jordresistor, vilken vanligtvis har ett mycket lågt motstånd (generellt krävs det att vara mindre än 5 ohm). Dessutom, på grund av dess elektromagnetiska egenskaper, presenterar jordtransformatoren hög impedans för positiv- och negativsekvensströmmar, vilket endast tillåter en liten uppmuntringsström att flöda i vindningarna. På varje kärnben är de två vindningsdelarna virade i motsatt riktning. När lika nollsekvensströmmar flödar genom dessa vindningar på samma ben visar de låg impedans, vilket resulterar i minimalt spänningsfall. 

Under en jordfel, bär vindningarna positiv-, negativ- och nollsekvensströmmar. Vindningen presenterar hög impedans för positiv- och negativsekvensströmmar, men låg impedans för nollsekvensström eftersom, inom samma fas, de två vindningarna är seriekopplade med motsatt polaritet—deras inducerade elektromotoriska krafter är lika i storlek men motsatta i riktning, vilket gör att de utsläcks varandra.

Många jordtransformatorer används enbart för att ge en lågmotståndsneutralpunkt och levererar ingen sekundärlast; därför är många konstruerade utan sekundärvindning. Under normal nätverksdrift fungerar jordtransformatorn i princip i en tom last. Men under ett fel, bär den felström endast under en kort tidsperiod. I ett lågmotståndsgräddat system, när ett enfasjordfel inträffar, identifierar och isolerar en mycket känslig nollsekvensskydd snabbt och tillfälligt den felaktiga strömfördelaren. 

Jordtransformatoren är aktiv endast under den korta tiden mellan felets uppståndelse och strömfördelarens nollsekvensskyddsverkan. Under denna tid flödar nollsekvensström genom den neutralt jordade resistorn och jordtransformatorn, enligt formeln: IR = U / R₁, där U är systemets fasvolt och R₁ är den neutralt jordade resistansen.

Konsekvenser när buggen inte kan pålitligt släckas

• Intermittent släckning och återupptändning av den enfasjordbågen genererar bugg-jordöverspänningar med amplitud som når upp till 4U (där U är toppfasvolten) eller ännu högre, vilket varar under långvariga perioder. Detta utgör allvarliga hot mot isoleringen av elektrisk utrustning, vilket potentiellt kan orsaka nedbrott vid svaga isoleringspunkter och leda till betydande förluster.

• Försiggående båge ioniserar omgivande luft, vilket minskar dess isolerande egenskaper och ökar sannolikheten för fas-till-fas kortslutning.

• Ferroresonanta överspänningar kan inträffa, vilket enkelt kan skada spänningsöverförare och överspänningsbeläggare—potentiellt även orsaka explosioner av beläggare. Dessa konsekvenser utgör allvarliga hot mot isoleringens integritet av nätutrustning och hotar säker drift av hela elkraftsystemet.

Vad är positiv-, negativ- och nollsekvensströmmar?

• Negativsekvensström: Fas A ligger efter Fas B med 120°, Fas B ligger efter Fas C med 120°, och Fas C ligger efter Fas A med 120°.

• Positivsekvensström: Fas A går före Fas B med 120°, Fas B går före Fas C med 120°, och Fas C går före Fas A med 120°.

• Nollsekvensström: Alla tre faser (A, B, C) är i fas—ingen fas går före eller efter någon annan.

Under trefasfelsituationer och normal drift innehåller systemet endast positivsekvenskomponenter.
Under enfasjordfel innehåller systemet positiv-, negativ- och nollsekvenskomponenter.
Under tvåfasfelsituationer innehåller systemet positiv- och negativsekvenskomponenter.
Under tvåfas-till-jordfelsituationer innehåller systemet positiv-, negativ- och nollsekvenskomponenter.

Driftsegenskaper för jordtransformatorer

Jordtransformatorn fungerar under tomgångsförhållanden under normal nätverksdrift och upplever kortvarig överbelastning vid fel. Sammanfattningsvis är funktionen hos en jordtransformator att skapa en konstgjord neutralpunkt för anslutning av en jordresistor. Vid ett jordfel visar den hög impedans för positiv- och negativsekvensströmmar men låg impedans för nulloksekvensström, vilket säkerställer tillförlitlig drift av jordfelsskydd.

Neutral jordning via bågutsläckande spole-system

När ett tillfällig ensidigt jordfel uppstår i nätet på grund av dålig utrustningsisolering, extern skada, operatörsfel, intern överspänning eller någon annan orsak, flödar jordfelströmmen genom bågutsläckande spolen som induktiv ström, som är motsatt riktad mot kapacitiv ström. Detta kan reducera strömmen vid felet till ett mycket litet värde eller till och med noll, vilket släcker bågen och eliminerar relaterade risker. Felet rensas automatiskt utan att utlösa reläskydd eller brytare, vilket betydligt förbättrar eldistributionens tillförlitlighet.

Tre kompensationsdriftlägen

Det finns tre olika kompensationsdriftlägen: underkompensation, full kompensation och överkompensation.

• Underkompensation: Induktiva strömmen efter kompensation är mindre än kapacitiva strömmen.

• Överkompensation: Induktiva strömmen efter kompensation är större än kapacitiva strömmen.

• Full kompensation: Induktiva strömmen efter kompensation är lika med kapacitiva strömmen.

Kompensationsläge som används vid neutral jordning via bågutsläckande spole-system

I system med neutral jordning genom en bågutsläckande spol måste full kompensation undvikas. Oavsett storleken på systemets obalansspänning kan full kompensation orsaka serie-resonans, vilket exponerar bågutsläckande spolen för farligt höga spänningar. Därför antas överkompensation eller underkompensation i praktiken, med överkompensation som det mest vanligt förekommande läget.

Huvudorsaker till användandet av överkompensation

I underkompenserade system kan höga överspännningar lätt uppstå vid fel. Till exempel, om delar av linjerna kopplas från p.g.a. fel eller andra orsaker, kan ett underkompenserat system flytta sig mot full kompensation, vilket orsakar serie-resonans och resulterar i mycket hög neutralförskjutningsspänning och överspänning. En stor neutralförskjutning i underkompenserade system hotar också isoleringens integritet - en nackdel som inte kan undvikas så länge underkompensation används.

Vid normal drift av ett underkompenserat system med betydande trefasobalans kan mycket höga ferromagnetiska resonansöverspännningar uppstå. Detta fenomen uppstår genom ferromagnetisk resonans mellan den underkompenserade bågutsläckande spolet (där ωL > 1/(3ωC₀)) och linje-kapacitansen (3C₀). Sådan resonans uppstår inte med överkompensation.

Energisystem expanderar kontinuerligt, och nätets kapacitet till mark ökar därefter. Med överkompensation kan den ursprungligen installerade bågutsläckande spolet fortsätta vara i drift under en viss tid - även om den slutligen flyttar sig mot underkompensation. Men om systemet startar med underkompensation krävs omedelbart ytterligare kompensationskapacitet vid expansion.

Med överkompensation är strömmen som flödar genom felet induktiv. Efter bågutsläckning är återhämtningen av felet fasens spänning långsammare, vilket gör det mindre troligt att bågen tänds igen.

Vid överkompensation ger en minskning av systemfrekvensen endast en tillfällig ökning av överkompensationens grad, vilket inte innebär något problem under normal drift. Å andra sidan kan underkompensation kombinerad med minskad frekvens ta systemet närmare full kompensation, vilket leder till ökad neutralförskjutningsspänning.

Sammanfattning

Jordtransformatorn fungerar också som en stationär service-transformator, som sänker 35 kV spänning till 380 V lågspänning för att tillhandahålla ström för batteriladdning, SVG-fläktström, underhållsbelysning och generella stationära hjälpplastar.

I moderna energinät ersätts kablar alltmer av överbysträngar. Eftersom den ensidiga kapacitiva jordfelströmmen i kabellinjer är mycket större än i överbysträngar, lyckas neutral jordning via bågutsläckande spoler ofta inte släcka felflamman och undertrycka farliga resonansöverspännningar. Därför använder vår anläggning ett låg resistans neutral jordningsschema. Denna metod liknar starkt jordade neutralsystem och kräver installation av enfas-jordfelsskydd som verkar för att tripa brytare. Vid uppståndelse av ett ensidigt jordfel isoleras den defekta uttagaren snabbt.