Які різниці між заземлювальним трансформатором і звичайним трансформатором?
Що таке заземлювальний трансформатор?
Заземлювальний трансформатор, скорочено "заземлювальний трансформатор," можна розподілити на масляні та сухі відповідно до заповнювального середовища; а також на трифазні та однофазні заземлювальні трансформатори відповідно до кількості фаз.
Відмінності між заземлювальними трансформаторами та звичайними трансформаторами
Мета заземлювального трансформатора полягає у створенні штучної нейтральної точки для підключення дуговій катушці або резистору, коли система підключена в конфігурації трикутника (Δ) або зірки (Y) без доступної нейтральної точки. Такі трансформатори використовують зигзагоподібні (або "Z-тип") з'єднання обмоток. Основна відмінність від звичайних трансформаторів полягає в тому, що кожна фазова обмотка розподіляється на дві групи, намотані в протилежних напрямках на одному магнітному стержні. Цей дизайн дозволяє нуль-послідовному магнітному потоку проходити через стержні магнітного ядра, тоді як в звичайних трансформаторах нуль-послідовний потік проходить по шляхам витоку.
Тому нуль-послідовне опір Z-типу заземлювального трансформатора дуже низький (близько 10 Ω), тоді як у звичайного трансформатора значно вищий. Згідно з технічними регламентами, коли використовується звичайний трансформатор для підключення дугової катушки, ємність катушки не повинна перевищувати 20% від номінальної ємності трансформатора. Натомість, Z-типу трансформатор може нести дугову катушку на 90%–100% від своєї власної ємності. Крім того, заземлювальні трансформатори можуть забезпечувати вторинні навантаження та служити як станційні трансформатори, що економить інвестиційні витрати.
Принцип роботи заземлювальних трансформаторів
Заземлювальний трансформатор штучно створює нейтральну точку з заземлювальним резистором, який зазвичай має дуже низький опір (загалом потрібно, щоб був менше 5 ом). Більше того, завдяки своїм електромагнітним характеристикам, заземлювальний трансформатор представляє високий опір для позитивних та негативних послідовностей струмів, дозволяючи пройти лише невеликому захопленому струму в обмотках. На кожному стержні ядра дві секції обмоток намотані в протилежних напрямках. Коли через ці обмотки на одному стержні проходять рівні нуль-послідовні струми, вони демонструють низький опір, що призводить до мінімального падіння напруги.
При замиканні на землю обмотки несуть позитивні, негативні та нуль-послідовні струми. Обмотка представляє високий опір для позитивних та негативних послідовностей струмів, але низький опір для нуль-послідовного струму, оскільки, в межах однієї фази, дві обмотки з'єднані послідовно з протилежними полярностями — їх індуковані електродвижущі сили рівні за величиною, але протилежні за напрямком, отже, взаємно компенсуються.
Багато заземлювальних трансформаторів використовуються лише для забезпечення низькоопірної нейтральної точки і не забезпечують жодного вторинного навантаження; тому багато з них проектуються без вторинної обмотки. Під час нормальної роботи мережі заземлювальний трансформатор практично працює в режимі без навантаження. Однак, під час аварії, він несе аварійний струм лише на короткий період. У системі з низькоопірним заземленням, коли відбувається однофазне замикання на землю, високочутливі нуль-послідовні захисти швидко виявляють та тимчасово ізольують аварійну лінію.
Заземлювальний трансформатор активний лише на короткий період між початком аварії та дією нуль-послідовного захисту лінії. Під час цього періоду нуль-послідовний струм проходить через нейтральний заземлювальний резистор і заземлювальний трансформатор, відповідно до формули: IR = U / R₁, де U — фазне напруга системи, а R₁ — опір нейтрального заземлення.
Наслідки, коли дугу не можна надійно знищити
Перерваний згасання та повторне запалення однофазної дуги на землю генерує дугові перенапруги з амплітудою, що досягає 4U (де U — пикове фазне напруга) або навіть більш, триваючи довгий час. Це становить серйозну загрозу для ізоляції електрообладнання, може призвести до пробою в слабких місцях ізоляції, що призводить до значних втрат.
Тривала дуга іонізує навколишній повітря, погіршуючи його ізоляційні властивості та збільшуючи ймовірність фазних коротких замикань.
Можуть виникнути ферорезонансні перенапруги, які легко можуть пошкодити вольтметричні трансформатори та перехоплювачі — можливо, навіть спричинити вибух перехоплювачів. Ці наслідки серйозно загрожують цілісності ізоляції обладнання мережі та безпеці всієї енергосистеми.
Що таке позитивні, негативні та нуль-послідовні струми?
Негативні послідовні струми: Фаза A відстає від фази B на 120°, фаза B відстає від фази C на 120°, а фаза C відстає від фази A на 120°.
Позитивні послідовні струми: Фаза A опережає фазу B на 120°, фаза B опережає фазу C на 120°, а фаза C опережає фазу A на 120°.
Нуль-послідовні струми: Всі три фази (A, B, C) в фазі — немає фаз, які опережають або відстають одна від одної.
Під час трифазних коротких замикань та нормальної роботи, система містить лише позитивні компоненти.
Під час однофазних замикань на землю, система містить позитивні, негативні та нуль-послідовні компоненти.
Під час двухфазних коротких замикань, система містить позитивні та негативні компоненти.
Під час двухфазних замикань на землю, система містить позитивні, негативні та нуль-послідовні компоненти.
Експлуатаційні характеристики заземлювальних трансформаторів
Трансформатор заземлення працює в умовах відсутності навантаження під час нормальної роботи мережі та досить короткий час перебуває в стані перевантаження під час аварій. В сукупності функція трансформатора заземлення полягає у штучному створенні нейтральної точки для підключення опору заземлення. Під час аварійного заземлення він демонструє високий імпеданс до початкових та протилежних послідовностей струму, але низький імпеданс до нульової послідовності струму, забезпечуючи надійну роботу захисту від аварійного заземлення.
Заземлення через системи гасіння дуг
При тимчасовому однофазному аварійному заземленні в мережі через недостатню ізоляцію обладнання, зовнішні пошкодження, помилки операторів, внутрішні перевищення напруги або будь-які інші причини, аварійний струм заземлення проходить через котушку гасіння дуг як індуктивний струм, що має протилежне напрямку до емпіричного струму. Це може знизити струм в точці аварії до дуже малих значень або навіть до нуля, що призводить до згасання дуги та ліквідації пов'язаних з нею загроз. Аварія самостійно усувається без запуску реле захисту або відключення автоматичних вимикачів, значно покращуючи надійність поставок електроенергії.
Три режими компенсації
Існує три різні режими компенсації: недокомпенсація, повна компенсація та перевищення компенсації.
Недокомпенсація: Індуктивний струм після компенсації менший за емпіричний струм.
Перевищення компенсації: Індуктивний струм після компенсації більший за емпіричний струм.
Повна компенсація: Індуктивний струм після компенсації дорівнює емпіричному струму.
Режим компенсації, використовуваний в системах заземлення через котушки гасіння дуг
У системах з нейтральним заземленням через котушку гасіння дуг повну компенсацію необхідно уникати. Незалежно від величини небалансу напруги системи, повна компенсація може спричинити серійний резонанс, що піддає котушку гасіння дуг небезпечним високим напругам. Тому на практиці використовується перевищення компенсації або недокомпенсація, з перевищенням компенсації як найпоширенішим режимом.
Основні причини використання перевищення компенсації
В системах з недокомпенсацією під час аварій легко можуть виникати високі перевищення напруги. Наприклад, якщо частина ліній відключена через аварію або інші причини, система з недокомпенсацією може зміститися в сторону повної компенсації, що призводить до серійного резонансу та високої нейтральної напруги та перевищення напруги. Значний зсув нейтралі в системах з недокомпенсацією також загрожує цілісності ізоляції — недолік, який неможливо уникнути, поки використовується недокомпенсація.
Під час нормальної роботи системи з недокомпенсацією зі значним трифазним небалансом можуть виникати високі ферорезонансні перевищення напруги. Це явище виникає через феромагнітний резонанс між недокомпенсованою котушкою гасіння дуг (де ωL > 1/(3ωC₀)) та лінійною ємністю (3C₀). Такий резонанс не виникає при перевищенні компенсації.
Енергетичні системи постійно розширюються, а ємність мережі до землі відповідно зростає. При перевищенні компенсації, встановлена котушка гасіння дуг може залишатися в експлуатації на деякий час, навіть якщо вона врешті-решт зміститься в сторону недокомпенсації. Однак, якщо система починається з недокомпенсації, будь-яке розширення відразу ж потребує додаткової компенсаційної здатності.
При перевищенні компенсації, струм, що проходить через точку аварії, є індуктивним. Після згасання дуги, швидкість відновлення напруги аварійної фази сповільнюється, що зменшує ймовірність повторного згоряння дуги.
При перевищенні компенсації, зниження частоти системи лише тимчасово збільшує ступінь перевищення компенсації, що не становить проблеми під час нормальної роботи. Навпаки, недокомпенсація разом зі зниженням частоти може призвести до того, що система наближиться до повної компенсації, що призводить до збільшення нейтральної напруги.
Висновок
Трансформатор заземлення також виконує функцію трансформатора станційного живлення, знижуючи напругу 35 кВ до низької напруги 380 В для живлення заряджальних пристроїв, вентиляторів SVG, освітлення технічного обслуговування та загальних допоміжних навантажень станції.
У сучасних енергетичних мережах кабелі широко замінюють надземні лінії. Оскільки однофазний ємнісний струм аварійного заземлення кабельних ліній набагато більший, ніж у надземних ліній, нейтральне заземлення через котушки гасіння дуг часто не може згасити аварійну дугу та під bada resonant overvoltages. Тому наша підстанція використовує схему заземлення низькоопірної нейтралі. Цей підхід подібний до систем з твердим заземленням нейтралі та потребує встановлення захисту від однофазних аварійних заземлень, що працює для відключення вимикачів. При виникненні однофазного аварійного заземлення аварійний фідер швидко ізольовано.
