Почему средневольтным сетям необходимы заземляющие трансформаторы сухого типа?

Что такое заземляющий трансформатор?

Заземляющий трансформатор (часто называемый «группой заземления») предназначен для создания искусственной нейтрали в электроэнергетических системах, где она отсутствует. Это позволяет подключать дугогасящие реакторы (катушки Петерсона) или выполнять заземление с малым сопротивлением. Его основная цель — ограничение емкостных токов при замыканиях на землю, что повышает надежность распределительной сети.

Проблемы в незаземленных системах

В сетях 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ нейтральная точка часто остается незаземленной. Поскольку сторона низкого напряжения силовых трансформаторов обычно соединена в треугольник, физическая нейтральная точка для заземления отсутствует.

Хотя системы с незаземленной нейтралью могут работать при однофазном замыкании на землю в течение 1–2 часов, в современных городских сетях с разветвленной кабельной инфраструктурой емкостные токи значительно возросли. Когда эти токи превышают 10 А, возникает ряд рисков:

• Прерывистая дуга: Это может вызвать перенапряжения, достигающие 4-кратного значения нормального пикового напряжения, что угрожает изоляции оборудования.
• Резонанс: Это может вызвать феррорезонанс, потенциально повреждающий трансформаторы напряжения и ограничители перенапряжения.
• Межфазные короткие замыкания: Дуговое горение может ионизировать окружающий воздух, что приводит к более тяжелым коротким замыканиям.

Глобальное применение и Z-соединение

• В Китае: Заземляющие трансформаторы обычно используют зигзагообразное (Z) соединение. Для экономии места и инвестиций часто добавляется третья обмотка для питания собственных нужд подстанции.
• На международном уровне: Трансформаторы с Z-соединением также широко используются в 10-кВ системах с изолированной нейтралью. Они представляют высокое сопротивление для токов прямой и обратной последовательности, но низкое сопротивление для токов нулевой последовательности, обеспечивая надежную работу защиты от замыканий на землю.

Трехфазные и однофазные устройства

• Трехфазные (Z-соединение): В отличие от стандартных трансформаторов, каждая фазная обмотка разделена на две группы, намотанные в противоположных направлениях на разных стержнях магнитопровода. Это позволяет потоку нулевой последовательности проходить через стержни магнитопровода, что приводит к очень низкому сопротивлению нулевой последовательности (ок. 10 Ом). Следовательно, трансформатор с Z-соединением может нести дугогасящий реактор мощностью 90%–100% от его номинала.
• Однофазные: Они в основном используются для создания нейтрали в шкафах резисторов заземления нейтрали генератора или трансформатора, помогая уменьшить размер и стоимость блока резисторов.

Основные рабочие характеристики

1. Низкое сопротивление нулевой последовательности: Обеспечивает эффективный выход тока нулевой последовательности.
2. Высокое сопротивление намагничивания: Минимизирует ток холостого хода.
3. Низкие потери холостого хода: Повышает энергоэффективность при повседневной эксплуатации.

Сравнение схем соединения

• Соединение YNyn:
  Используется трехстержневой магнитопровод. Однако поток нулевой последовательности не может циркулировать внутри магнитопровода и должен проходить через бак и стяжки, вызывая локальный перегрев. Нормативные документы строго ограничивают подключаемый дугогасящий реактор до 20% от номинала трансформатора.
• Соединение YNd:
  Вторичная обмотка, соединенная в треугольник, обеспечивает путь для токов нулевой последовательности, снижая сопротивление. Однако трудно питать смешанные осветительные и силовые нагрузки от обмотки, соединенной в треугольник. Мощность дугогасящего реактора ограничена 50%, если вторичная обмотка полностью нагружена.

• Соединение ZNyn (Отраслевой стандарт):
  Это наиболее распространенная конфигурация в мире. Соединение зигзаг компенсирует магнитодвижущие силы нулевой последовательности на одном стержне сердечника, что приводит к минимальному потоку рассеяния и очень низкому полному сопротивлению.

Мощность: Она может поддерживать дугогасящий реактор, номинальная мощность которого равна ее собственной.

Вспомогательное питание: Вторичная обмотка yn позволяет питать местные нагрузки или собственные нужды подстанции (обычно 80-200 кВА).

Примечание к проектированию: Из-за векторного расположения, соединение типа Z требует примерно в 1,15–1,16 раза больше витков, чем стандартное соединение звездой, при том же напряжении.

Принцип работы

При однофазном замыкании на землю (например, фаза C) ток замыкания протекает через землю в нейтральную точку. Затем он равномерно распределяется по трем фазам заземляющего трансформатора.