зигзагообразный трансформатор заземления, также называемый зигзагообразным трансформатором заземления или трансформатором заземления нейтрали, представляет собой трансформатор специального назначения, используемый в системах электроснабжения среднего напряжения. Его основная функция заключается не в преобразовании напряжения или передаче мощности нагрузки, а в создании стабильной точки нейтрали для систем, не имеющих таковой, или где точка нейтрали недоступна.
Затем эту точку нейтрали можно подключить к дугогасящему реактору, резистору заземления нейтрали или малому реактору для поддержки заземления системы, управления током замыкания на землю и координации защиты.
Производитель масляных зигзагообразных трансформаторов заземления IEC
Зачем нужен заземляющий трансформатор?
В распределительных сетях среднего напряжения 6 кВ, 10 кВ, 35 кВ и аналогичных, сторона низкого напряжения главного трансформатора часто соединяется в треугольник, либо нейтраль звезды не выводится. В результате система не имеет нейтрали, доступной для заземления при нормальной эксплуатации.
Однако нейтраль все равно требуется по нескольким причинам:
-
Ограничение перенапряжений при дуговых замыканиях на землю
При однофазном замыкании на землю большие емкостные токи могут вызывать прерывистое дуговое горение в месте повреждения. Это может приводить к возникновению высоких перенапряжений, угрожающих кабелям, коммутационному оборудованию, измерительным трансформаторам и другому оборудованию.
-
Обеспечение пути для тока нулевой последовательности
Замыкания на землю создают ток нулевой последовательности. Без нейтрали отсутствует стабильный путь возврата, и защита нулевой последовательности может работать недостаточно чувствительно.
-
Поддержка дугогасящих реакторов или заземления через низкое сопротивление
При подключении через дугогасящий реактор система может компенсировать емкостный ток замыкания на землю. При подключении через резистор заземления нейтрали ток повреждения может быть ограничен при обеспечении надежной работы защиты нулевой последовательности.
-
Повышение надежности электроснабжения
Многие системы среднего напряжения допускают кратковременную работу при однофазном замыкании на землю. Правильно спроектированная схема заземления нейтрали помогает поддерживать стабильные напряжения в системе до устранения повреждения.
Поэтому, когда электроэнергетическая система не предусматривает наличие нейтрали, для ее создания используется заземляющий трансформатор.
Конструкция заземляющего трансформатора со схемой зигзаг
Заземляющий трансформатор со схемой зигзаг обычно имеет аналогичную стержневую конструкцию, что и обычный трехфазный трансформатор, но схема соединения его обмоток отличается.
Каждая фазная обмотка разделена на две равные половины с противоположным направлением намотки. Эти половины намотаны на разные стержни магнитопровода, а затем соединены последовательно по схеме зигзаг. Общая точка трех фаз выводится как нейтраль N.
Например, обмотка фазы A намотана не только на стержне фазы A. Часть ее обмотки связана с другой фазой, например, фазой B или фазой C. После перекрестного соединения обмотки образуют зигзагообразную схему.
Распространенные группы соединений обмоток включают:
- ZN: сторона ВН с соединением в зигзаг и выведенной нейтралью;
- ZNyn1 / ZNyn11: сторона ВН с соединением в зигзаг и сторона НН со вторичной обмоткой, соединенной в звезду, что также позволяет использовать его в качестве трансформатора собственных нужд подстанции.
Китайский производитель масляных заземляющих трансформаторов
Как работает заземляющий трансформатор с зигзагообразным соединением обмоток?
Ключевой особенностью заземляющего трансформатора с зигзагообразным соединением является то, что он создает высокое сопротивление для токов прямой и обратной последовательности, но низкое сопротивление для токов нулевой последовательности.
1. В нормальных условиях: работа, близкая к режиму холостого хода
При симметричных напряжениях трехфазной системы через заземляющий трансформатор протекает лишь небольшой ток намагничивания. Зигзагообразная обмотка создает высокое сопротивление намагничиванию для напряжений прямой и обратной последовательности, поэтому нормальные потери очень малы, и трансформатор практически не потребляет активную мощность.
2. При однофазном замыкании на землю: низкоомный путь для тока замыкания
При возникновении однофазного замыкания на землю появляются напряжение и ток нулевой последовательности. Ток нулевой последовательности протекает от нейтральной точки в трехфазные обмотки. Токи нулевой последовательности во всех трех фазах равны по величине и совпадают по фазе.
Поскольку две полуобмотки на одном стержне сердечника имеют противоположные направления намотки и противоположную полярность, их магнитодвижущие силы нулевой последовательности взаимно компенсируются. Следовательно, результирующий поток нулевой последовательности очень мал.
В результате сопротивление нулевой последовательности определяется в основном сопротивлением рассеяния и остается относительно низким. Точное значение зависит от уровня напряжения системы, конструкции обмоток, производственных особенностей и требований проекта.
Это обеспечивает низкоомный путь для тока нулевой последовательности, позволяя току замыкания свободно протекать через нейтральную точку в устройство заземления.
Почему зигзагообразное соединение предпочтительно для заземляющих трансформаторов?
Заземляющие трансформаторы не ограничиваются зигзагообразным соединением, однако зигзагообразная схема имеет явные преимущества в системах заземления сетей среднего напряжения.
1. Низкое сопротивление нулевой последовательности
Зигзагообразная обмотка позволяет магнитодвижущим силам нулевой последовательности компенсироваться на каждом стержне сердечника, что приводит к низкому сопротивлению нулевой последовательности и свободному протеканию тока замыкания на землю.
2. Низкие потери в нормальном режиме работы
В симметричном режиме трансформатор потребляет лишь небольшой ток намагничивания и работает в режиме, близком к холостому ходу, что поддерживает низкие потери в дежурном режиме.
3. Хорошая совместимость с дугогасящими реакторами и резисторами заземления нейтрали
При заземлении через дугогасящий реактор зигзагообразный трансформатор позволяет току компенсации свободно протекать, обеспечивая высокое использование мощности реактора.
При резистивном заземлении с низким сопротивлением он обеспечивает достаточный ток нулевой последовательности для чувствительной и надежной работы защиты.
Для сравнения, при использовании обычного трансформатора YNyn для подключения дугогасящего реактора мощность реактора обычно ограничивается небольшой долей номинальной мощности трансформатора. В трансформаторах YNd использование также ограничивается вторичной нагрузкой и дополнительными потерями.
4. Может также использоваться как трансформатор собственных нужд подстанции
Многие заземляющие трансформаторы с зигзагообразным соединением оснащены вторичной обмоткой низкого напряжения, образуя соединение ZNyn. Это позволяет устройству обеспечивать как точку заземления нейтрали, так и вспомогательное питание 380/220 В для подстанции, снижая требования к инвестициям и занимаемой площади.
5. Частичное подавление составляющих третьей гармоники
Зигзагообразное соединение помогает подавлять третью гармонику и другие гармонические составляющие нулевой последовательности, улучшая качество формы напряжения. Однако это обычно является вторичным преимуществом, а не основной причиной выбора.
Заземляющий трансформатор с зигзагообразным соединением и обычный трансформатор
| Пункт сравнения |
Заземляющий трансформатор с зигзагообразной обмоткой |
Обычный трансформатор |
| Основное назначение |
Создание искусственной нейтрали и обеспечение защиты от замыканий на землю |
Преобразование напряжения и передача мощности |
| Структура обмотки |
Каждая фаза разделена на две части с зигзагообразным соединением |
Стандартное соединение в звезду, треугольник или звезду с выведенной нейтралью |
| Нейтраль |
Выведена специально для заземления |
Может отсутствовать или не использоваться для заземления |
| Полное сопротивление нулевой последовательности |
Низкое, подходит для тока нулевой последовательности |
Выше, ограничивает ток нулевой последовательности |
| Режим работы |
Практически работает в режиме холостого хода при нормальной эксплуатации; выдерживает кратковременные токи короткого замыкания |
Постоянно нагружен при нормальной эксплуатации |
| Типовое применение |
Заземление сетей среднего напряжения, дугогасящие реакторы, резисторы заземления нейтрали |
Силовые и распределительные трансформаторы |
Маслонаполненный заземляющий трансформатор Z-типа OEM Китай
Типичные области применения
-
Распределительные сети 10 кВ и 35 кВ
Применяются, когда сторона низкого напряжения главного трансформатора соединена в треугольник или нейтраль системы недоступна.
-
Системы заземления с дугогасящими реакторами
Применяются для компенсации емкостного тока замыкания на землю, гашения дуговых замыканий и ограничения коммутационных перенапряжений.
-
Системы заземления с низким сопротивлением
Применяются для ограничения тока замыкания на землю при обеспечении надежной работы защиты от токов нулевой последовательности.
-
Электростанции возобновляемой энергетики, промышленные сети и центры обработки данных
Применяются в системах с инверторным интерфейсом, сетях, соединенных в треугольник, или изолированных системах электроснабжения для обеспечения стабильной точки заземления и улучшения характеристик при несимметрии напряжений и работе релейной защиты.
Соображения по выбору и эксплуатации
- Соответствие уровню напряжения системы, например, 6 кВ, 10 кВ или 35 кВ, номинальному напряжению системы.
- Тщательный расчет сопротивления нулевой последовательности. Слишком низкое значение может привести к чрезмерному увеличению тока замыкания; слишком высокое значение может снизить чувствительность защиты. Оно должно быть согласовано с резистором заземления нейтрали или дугогасящим реактором.
- Правильный выбор мощности. При использовании только для заземления первичная номинальная мощность должна соответствовать дугогасящему реактору или резистору заземления нейтрали. При подключении только дугогасящего реактора первичная мощность обычно выбирается на уровне 1,05–1,15 раза номинальной мощности реактора в качестве инженерной практики. Если также питается вторичная нагрузка, необходимо добавить нагрузку собственных нужд подстанции.
- Проверка кратковременной термической стойкости. Трансформатор работает практически в режиме холостого хода в нормальных условиях, но должен выдерживать кратковременный ток замыкания на землю.
- Подтверждение группы соединения обмоток, такой как ZN, ZNyn1 или ZNyn11, в соответствии с требованиями к защите, измерениям и вспомогательному питанию.
- Проверка фактической необходимости заземляющего трансформатора. Если главный трансформатор уже имеет доступную точку нейтрали, например, в некоторых системах 35 кВ или 110 кВ с соединением YN, отдельный заземляющий трансформатор может не потребоваться.
Взаимосвязь со стандартами МЭК
В рамках системы МЭК заземляющие трансформаторы с зигзагообразной схемой соединения обычно проектируются и испытываются в соответствии с общими требованиями к силовым трансформаторам в серии стандартов МЭК 60076. МЭК 60076-25 в первую очередь охватывает резисторы заземления нейтрали и прямо признает их использование совместно с зигзагообразными трансформаторами, трансформаторами с соединением в открытый треугольник и дугогасящими реакторами.
На практике заземляющие трансформаторы с зигзагообразной схемой соединения определяются и проверяются в соответствии с требуемым сопротивлением нулевой последовательности, кратковременным током замыкания, номинальным напряжением, способом охлаждения, уровнем изоляции и программой испытаний. Соответствие любому конкретному проекту всегда должно подтверждаться на основе технической спецификации контракта, применимой редакции стандарта и отчетов об испытаниях третьей стороной.
Резюме
Заземляющий трансформатор с зигзагообразной схемой соединения — это специальный трансформатор, который создает искусственную точку нейтрали посредством зигзагообразного расположения обмоток. Он широко используется, поскольку обеспечивает высокое сопротивление в нормальных симметричных условиях, что приводит к низким потерям, и при этом обеспечивает низкое сопротивление для тока нулевой последовательности во время однофазных замыканий на землю. Это делает его хорошо подходящим для дугогасящих реакторов, резисторов заземления нейтрали и схем защиты от токов нулевой последовательности.
По сравнению с обычными трансформаторами, заземляющие трансформаторы с зигзагообразной схемой соединения имеют явные преимущества в распределительных сетях среднего напряжения, особенно для управления током замыкания на землю, заземления системы и повышения надежности.
Вход
