Почему в распределительных заземляющих трансформаторах повсеместно используется зигзагообразная обмотка?

1. Очень низкое сопротивление нулевой последовательности для эффективного пути тока нулевой последовательности

Это основное физическое преимущество зигзагообразной обмотки. Каждая фазная обмотка зигзаг-трансформатора разделена на две половины, намотанные в противоположных направлениях на двух разных стержнях магнитопровода. При возникновении однофазного замыкания на землю потоки нулевой последовательности в магнитопроводе взаимно компенсируются благодаря специальному встречному соединению обмоток, что приводит к крайне низкому сопротивлению нулевой последовательности.

Для сравнения, поток нулевой последовательности обычных трансформаторов с соединением в звезду или Δ может проходить только по пути потока рассеяния, что приводит к очень высокому сопротивлению нулевой последовательности. Низкоомная характеристика зигзагообразного соединения обеспечивает беспрепятственное протекание тока замыкания, предоставляя достаточный сигнал для реле защиты.

Трехфазный заземляющий трансформатор нейтрали

2. Высокий коэффициент использования мощности, преодоление «лимита в 20%» обычных трансформаторов

При внедрении дугогасящей катушки или резистора заземления в распределительную сеть зигзагообразное соединение демонстрирует высокую экономическую эффективность. Если стандартный распределительный трансформатор используется в качестве заземляющего трансформатора для подключения дугогасящей катушки, мощность катушки не должна превышать 20% мощности трансформатора. В отличие от этого, благодаря конструкции магнитопровода с самобалансировкой, зигзагообразный заземляющий трансформатор может нести подавляющую часть собственной мощности в качестве нагрузки дугогасящей катушки.

При практическом инженерном выборе номинальная мощность первичной стороны зигзагообразного заземляющего трансформатора обычно выбирается немного больше мощности дугогасящей катушки.

3. Отсутствие необходимости во вторичной обмотке, минимизация потерь холостого хода

Если первичная нейтраль обычного трансформатора заземлена, требуется вторичная обмотка (например, обмотка, соединенная в треугольник) для обеспечения замкнутого пути для тока нулевой последовательности; в противном случае сопротивление намагничивания крайне велико, и ток нулевой последовательности не может протекать. Зигзагообразное соединение формирует путь нулевой последовательности без необходимости во вторичной обмотке.

При нормальной работе системы зигзагообразный заземляющий трансформатор ведет себя так, как будто находится в режиме холостого хода. Поскольку напряжение в точке нейтрали близко к нулю, через обмотки протекает лишь очень небольшой ток намагничивания, что приводит к крайне низким потерям холостого хода. Ток замыкания нулевой последовательности протекает только в течение короткого времени однофазного замыкания на землю (в течение нескольких секунд для срабатывания защиты нулевой последовательности или до 2 часов при компенсации дугогасящей катушкой).

4. Подавление третьей гармоники, улучшение формы кривой напряжения

Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители и преобразователи частоты, генерируют значительные токи третьей гармоники. В обычных трехфазных четырехпроводных системах токи третьей гармоники накапливаются в нейтральном проводнике, вызывая чрезмерный ток в нейтрали и сильный нагрев. Зигзагообразное соединение представляет низкое сопротивление для токов третьей гармоники, позволяя им циркулировать внутри обмоток и взаимно компенсироваться, тем самым эффективно снижая содержание гармоник в фазном напряжении и токе нейтрали.

5. Балансировка магнитной цепи, предотвращение глубокого насыщения магнитопровода

В системе с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышается до линейного напряжения (то есть увеличивается в sqrt(3) раз). Для обычного трансформатора с трехстержневым магнитопроводом такое смещение напряжения может легко вызвать глубокое насыщение магнитопровода, что в тяжелых случаях может привести к повреждению трансформатора. При зигзагообразном соединении каждая фазная обмотка распределена по двум стержням магнитопровода, а магнитодвижущие силы при замыканиях достигают самобалансировки за счет перекрестной связи, эффективно предотвращая насыщение магнитопровода и обеспечивая термическую стабильность в период однофазного замыкания.

Резюме

Использование зигзагообразных заземляющих трансформаторов в распределительных сетях по сути является способом создания искусственной точки нейтрали с низким импедансом без изменения исходной структуры сети. Это позволяет решить следующие инженерные задачи:

• В нормальном режиме работы: напряжение в точке нейтрали близко к нулю, потери холостого хода минимальны, а баланс трехфазного напряжения не нарушается.
• В режиме повреждения: очень низкий импеданс нулевой последовательности обеспечивает заданный путь для тока повреждения, гарантируя компенсацию дугогасящим реактором или срабатывание релейной защиты.
• Экономичность и безопасность: он преодолевает ограничение по мощности обычных трансформаторов на уровне 20% и обладает высокой устойчивостью к насыщению, что делает его стандартным и оптимальным выбором для создания искусственных точек нейтрали в распределительных сетях 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ.

Отредактировано из：Echo