Заземляющий трансформатор Rockwill: что это такое и чем он отличается от стандартного силового трансформатора

Заземляющий трансформатор — это специальное устройство класса защиты в электрических сетях. Его основная задача — создание искусственной точки нейтрали для высоковольтных распределительных систем с соединением обмоток в треугольник, которые либо не имеют точки нейтрали, либо не позволяют ее вывести. Подавляющее большинство заземляющих трансформаторов используют схему обмотки зигзаг (Z-образная схема). Благодаря этой специальной конструкции они создают путь для тока нулевой последовательности и совместно с дугогасящим реактором или шкафом резистора заземления нейтрали образуют полный комплект оборудования для заземления нейтрали, обеспечивающий безопасную и стабильную работу электрической сети.

Сухой трансформатор для заземления нейтрали / заземляющий трансформатор

Основные функции

• Создание искусственной точки нейтрали: В распределительных сетях 10 кВ и 35 кВ сторона низкого напряжения главного трансформатора обычно соединена в треугольник, что оставляет систему без доступной точки нейтрали. При подключении к сборной шине специальная трехфазная конфигурация обмотки заземляющего трансформатора сводится к общей точке нейтрали, обеспечивая физический интерфейс для подключения оборудования заземления.
• Проведение тока нулевой последовательности при замыкании на землю: При возникновении однофазного замыкания на землю дисбаланс напряжения на трех фазах генерирует ток нулевой последовательности. Z-образная обмотка обеспечивает путь с низким импедансом для этого тока нулевой последовательности, позволяя реле защиты быстро идентифицировать и устранить повреждение. Это также эффективно подавляет перенапряжения при дуговых замыканиях на землю, предотвращая пробой изоляции кабелей и оборудования.
• Двойная функция собственных нужд подстанции: Некоторые заземляющие трансформаторы оснащены дополнительной вторичной обмоткой низкого напряжения (например, соединение ZNyn), обеспечивающей питание освещения подстанции, цепей управления и других низковольтных нагрузок, одновременно предоставляя искусственную точку нейтрали. Этот тип, известный как «заземляющий трансформатор и трансформатор собственных нужд», позволяет снизить общие капитальные затраты на проект.

Существенные различия между заземляющими трансформаторами и стандартными силовыми трансформаторами

Заземляющие трансформаторы и стандартные распределительные/силовые трансформаторы фундаментально различаются по своей базовой логике проектирования. Различия проявляются в шести ключевых аспектах:

Стандартный сухой трансформатор

1. Конфигурация обмоток и отклик магнитной цепи (Наиболее критичное отличие)

• Заземляющий трансформатор (зигзагообразная Z-образная обмотка): На каждом стержне магнитопровода размещены две секции обмотки, принадлежащие разным фазам, намотанные в противоположных направлениях и соединенные встречно-последовательно. При нормальном симметричном трехфазном режиме работы потоки прямой и обратной последовательностей взаимно компенсируются, что приводит к практически отсутствию потерь на возбуждение в магнитопроводе. При возникновении однофазного замыкания на землю потоки нулевой последовательности от разных фаз направлены в одну сторону на одном и том же стержне магнитопровода и усиливают друг друга, создавая контролируемое низкое сопротивление нулевой последовательности, специально предназначенное для проведения тока замыкания на землю.
• Стандартный силовой трансформатор (обычная обмотка Yyn/Dyn): На каждом стержне магнитопровода размещена только полная обмотка своей фазы. Конструкция предназначена для передачи мощности нагрузки прямой и обратной последовательностей. Такие трансформаторы обладают очень высоким сопротивлением для тока нулевой последовательности; поток нулевой последовательности может протекать только по путям рассеяния. Принудительное использование такого трансформатора в качестве заземленной нейтрали вызовет сильный перегрев и потенциально приведет к повреждению оборудования.

2. Цель проектирования и критерии оценки

• Заземляющий трансформатор: Приоритетом при проектировании являются требования к сопротивлению нулевой последовательности и способность выдерживать кратковременные замыкания на землю. Его номинальная мощность рассчитывается не исходя из непрерывной нагрузки в кВА, а определяется емкостным током замыкания на землю в системе и требованиями к кратковременной термической стойкости, как правило, номинальная мощность указывается для кратковременного режима работы длительностью 10 с или 30 с. При той же номинальной мощности его физические размеры часто больше, чем у стандартного трансформатора. Спецификация магнитопровода — «кратковременная способность пропускать большой ток однофазного замыкания на землю»; долгосрочная нормальная нагрузочная способность не является первостепенной задачей.
• Стандартный силовой трансформатор: Основная цель — непрерывная и эффективная передача трехфазной активной и реактивной нагрузки. При проектировании основное внимание уделяется потерям нагрузки, пределам повышения температуры и долгосрочной нагрузочной способности, при этом не учитывается работа в условиях длительного тока замыкания нулевой последовательности.

3. Условия эксплуатации и нагрузочные характеристики

• Заземляющий трансформатор: Режим работы можно охарактеризовать как «длительный режим холостого хода, кратковременная перегрузка». При нормальной работе сети он проводит подавляющее большинство времени в состоянии холостого хода с минимальным током возбуждения и очень низкими потерями. Только в течение короткого периода замыкания на землю он пропускает значительный ток замыкания нулевой последовательности.
• Стандартный силовой трансформатор: Работает под нагрузкой круглый год, непрерывно передавая электрическую энергию. Потери нагрузки являются ключевым показателем его суточного потребления энергии при эксплуатации.

4. Характеристики двойного сопротивления

• Заземляющий трансформатор: Обладает природой двойного сопротивления — «очень высокое сопротивление прямой последовательности, очень низкое сопротивление нулевой последовательности». При нормальной работе высокое сопротивление означает, что он потребляет почти нулевую мощность; при аварии низкое сопротивление обеспечивает четкий путь для тока нулевой последовательности.
• Стандартный силовой трансформатор: Сопротивление нулевой последовательности очень высокое, что делает прохождение тока нулевой последовательности практически невозможным. Принудительное создание заземленной нейтрали через такой трансформатор для пропускания тока нулевой последовательности может легко вызвать феррорезонансное перенапряжение, создавая угрозу для сетевого оборудования.

5. Функциональная роль и место в системе

• Заземляющий трансформатор: Устройство защиты системного уровня, основная роль которого заключается в защите от перенапряжений и поддержке защиты от замыканий на землю. Он не выполняет функции обычной передачи или распределения электроэнергии.
• Стандартный силовой трансформатор: Устройство передачи энергии и основной узел для преобразования напряжения (повышения, понижения) и распределения мощности в сети.

6. Требования к сопутствующему оборудованию

• Заземляющий трансформатор: Его нейтраль должна использоваться совместно со специальным токоограничивающим или компенсирующим оборудованием, таким как шкаф заземления с низким сопротивлением, дугогасящая катушка или заземляющий реактор, для формирования полной системы защиты от замыканий на землю.
• Стандартный силовой трансформатор: Его нейтраль обычно заземляется просто в соответствии с требованиями системы (например, глухозаземленная или изолированная нейтраль), без необходимости в дополнительном сложном токоограничивающем или дугогасящем оборудовании.

Резюме фундаментального различия

Стандартный силовой трансформатор — это устройство передачи энергии, назначение которого заключается в «передаче мощности трехфазной нагрузки». Его конфигурация обмоток не позволяет ему проводить ток нулевой последовательности. В отличие от него, заземляющий трансформатор Z-типа является устройством класса защиты, единственной основной целью которого является «создание искусственной нейтральной точки и проведение тока замыкания на землю нулевой последовательности». Он жертвует крайне незначительными нормальными потерями холостого хода ради безопасности и надежности электрической сети в условиях однофазного замыкания на землю.

Отредактировано из: Echo