Руководство по зиг-заг-трансформаторам

 

В этом руководстве представлен подробный обзор конфигураций обмотки зигзагообразных трансформаторов-специального-назначения, широко используемых для заземления, подавления гармоник, улучшения качества электроэнергии и преобразования переменного-постоянного тока в современных электрических системах. Руководство охватывает фундаментальные принципы работы, технические характеристики, особенности проектирования, сравнение с альтернативными схемами заземления и подробные сценарии применения, включая заземление нейтрали системы, подавление гармоник и интегрированные системы преобразования энергии. Руководство также включает практические соображения по выбору, определению размеров, защите и соблюдению соответствующих стандартов, таких как IEEE C57.105 и IEC 60076.

Современные трехфазные-электрические системы часто работают с вторичными обмотками трансформатора, соединенными треугольником-, у которых отсутствует естественная нейтральная точка для заземления. В более широком смысле, незаземленные трехфазные системы-как по схеме треугольника, так и по другим источникам-представляют серьезные эксплуатационные проблемы, включая отсутствие определенного заземления, риск переходных перенапряжений во время замыканий на линию-на-землю, а также трудности в обнаружении и локализации неисправностей. Зиг-загообразный трансформатор (также известный как соединенный-звездой или заземляющий трансформатор) был разработан для решения этих проблем.

Зигзагообразный трансформатор – это трансформатор специального-назначения с конфигурацией обмотки, в которой каждый выход представляет собой векторную сумму двух фаз, смещенных на 120 градусов. Каждая конечность магнитного сердечника разделена на две секции обмотки, намотанные в противоположных направлениях, и катушки соединены между собой по разным фазам, чтобы создать эффект компенсации сбалансированных токов, в то же время позволяя токам нулевой-последовательности свободно течь через нейтральное соединение.

Хотя заземление нейтрали является наиболее распространенным применением, зиг-трансформаторы превратились в универсальную платформу, выполняющую множество функций: обеспечение пути с низким-импедансом для токов замыкания на землю-, подавление тройных гармоник, балансировку токов нагрузки и работу в качестве неотъемлемого компонента в унифицированных системах преобразования переменного-постоянного тока.

 

 

 

Хотя внутреннее устройство может показаться сложным, принцип работы в основном определяется законом Ампера-магнитный баланс обмоток одного и того же сердечника требует, чтобы ток, текущий в одной обмотке, сопровождался соответствующим током в другой обмотке на этом плече.

2.2 Анализ тока в условиях повреждения

Чтобы понять, как реализуются токи нулевой-последовательности, рассмотрим замыкание на линию-на-землю на одной фазе незаземленной системы. Перекрестное соединение обмоток создает взаимозависимый путь распространения тока. Ток, текущий вверх от нейтральной точки через нижнюю обмотку фазы А, проходит через верхнюю обмотку фазы С на подключение к сети. Это индуцирует соответствующий ток в нижней обмотке фазы C, который, в свою очередь, распространяется в сеть через фазу B. Последовательность продолжает включать все три фазы. Важным наблюдением является то, что все токи в верхних обмотках, нижних обмотках и заземлении синфазны друг с другом, что однозначно идентифицирует их как токи нулевой-последовательности.

Сумма этих токов нулевой-последовательности во всех трех фазах равна общему току замыкания на землю.. В нормальных условиях сбалансированной работы напряжения сдвинутых по фазе-компенсируются, и циркулирует лишь небольшой ток возбуждения. Токи нулевой-последовательности могут протекать через трансформатор только в условиях несбалансированности,-таких как замыкания на землю или несбалансированные нагрузки.-Ток нулевой-последовательности может протекать через трансформатор.

2.3 Характеристики импеданса

При нормальной работе зиг-заг-трансформатор имеет высокий импеданс для токов положительной- и обратной-последовательности, что делает его практически невидимым для электрической системы в сбалансированных условиях. Однако при токах нулевой-последовательности трансформатор имеет низкий импеданс, эффективно замыкая-нейтраль на землю в случае токов повреждения.

Ключевые параметры, определяющие импеданс нулевой-последовательности, включают количество витков обмотки, геометрию сердечника, индуктивность рассеяния между двумя половинами каждого плеча и магнитные свойства материала сердечника. Способность конструкции железного сердечника ограничивать поток потоков тройных-гармоник является еще одним уникальным преимуществом, отличающим зиг-замковые конфигурации от других схем заземления.

2.4 Критические требования к установке

Обрыв фазы-цепи-например, перегоревший предохранитель или плохое соединение-нарушает взаимозависимость токов обмоток. При отключении одной фазы цепь распространения тока, необходимая для протекания нулевой-последовательности, разрывается, и заземляющий трансформатор больше не может проводить ток замыкания на землю. Следовательно, заземляющие трансформаторы должны быть надежно подключены как к земле, так и к сети, без промежуточных механических переключающих устройств, которые могут непреднамеренно нарушить непрерывность.

 

 

 

 

Два основных типазаземляющие трансформаторыиспользуются в энергосистемах: зиг-заг (взаимосвязанная-звезда) трансформатор итрансформатор звезды-треугольника. Выбор между ними имеет значительные последствия для стоимости, размера и производительности.

3.1 Размеры и номинальная мощность

Схема зиг-заг обеспечивает значительно более высокий КПД, чем конфигурация заземленной звезды-треугольника. В зиг-загообразном трансформаторе каждая обмотка несет напряжение, меньшее, чем линейное-напряжение на-землю-в раз- позволяет снизить общую номинальную мощность:. Напротив, для трансформатора с заземленной звездой-треугольником требуетсядля того же нейтрального тока. Из-за этой существенной разницы номинальная мощность зиг-заг-трансформаторов примерно на одну-треть меньше, чем у трансформаторов типа "звезда"-треугольник, при одинаковых требованиях к току нейтрали.

Производители сообщают, что зиг-загообразные трансформаторы имеют более низкую стоимость и меньшую физическую площадь, чем трансформаторы звезда-треугольник, при тех же характеристиках импеданса нулевой-последовательности, что делает их предпочтительным выбором в большинстве случаев заземления.

3.2 Гармонические характеристики

Трансформаторы со звездой-треугольником пропускают тройные гармоники (3-ю, 9-ю, 15-ю и т. д.) внутри обмотки треугольника, но не устраняют нейтральные токи, генерируемые несбалансированными нагрузками. Зиг-заг-трансформаторы, напротив, рециркулируют токи третьей гармоники из нейтрали обратно на сторону нагрузки, активно уменьшая гармоники на вторичной стороне. Это фундаментально отличающийся механизм от трансформаторов типа «треугольник», где тройные гармоники просто улавливаются внутри замкнутого контура «треугольник».

3.3 Номинальное время и тепловой режим

Оба типа служат кратковременными-устройствами, обычно рассчитанными на длительность сбоя в 10-секунд или 1-минуту, а не на непрерывную работу. Стандарт ANSI/IEEE. 32-1972 требует непрерывной оценки 3 % для устройства с номинальным значением 10 -секунд. Это означает, что кратковременная оценка примерно в 33 раза превышает непрерывную оценку. Банк с 1-минутным рейтингом имеет постоянный текущий рейтинг 7%. Эта характеристика прерывистого режима работы снижает размер и стоимость производства по сравнению с трансформаторами постоянного тока эквивалентной мощности, хотя тщательное управление температурным режимом остается важным.

 

 

 

 

4.1 Импеданс нулевой-последовательности

Импеданс нулевой-последовательности, возможно, является наиболее важным параметром для конструкции зиг-трансформатора. Он определяет как величину тока замыкания на землю-, так и регулирование напряжения в несбалансированных условиях. Сопротивление трансформатора само по себе может ограничить ток повреждения до желаемого уровня; альтернативно, внешний резистор или реактор, вставленный в нейтраль, обеспечивает дополнительную ограничивающую способность.

4.2 Индуктивность утечки и потери на-нагрузке

Двумя наиболее важными параметрами конструкции являются потери на холостом ходу (гистерезис и потери на вихревые токи) и полное сопротивление утечки. Последние достижения в области аналитических методов и моделирования методом конечных элементов позволили более точно рассчитать индуктивность рассеяния в зигзагообразных трансформаторах, что помогает как исследователям, так и разработчикам трансформаторов оптимизировать этот тип. Реактивное сопротивление утечки влияет на поведение трансформатора,-ограничивающее ток во время неисправностей, и на его общую эффективность регулирования напряжения.

4.3 Краткосрочные-временные и непрерывные рейтинги

Заземляющие трансформаторы работают с разными кратковременными-и непрерывными номиналами. Цепь с минимальной несимметрией нагрузки может обслуживаться трансформатором, рассчитанным преимущественно на кратковременные-сбои, а не на непрерывную работу. Непрерывная оценка для 10-секундного блока обычно составляет 3 % от короткого-рейтинга, а для 1-минутного блока — 7 %. Примеры расчета иллюстрируют этот принцип: в системе напряжением 12,47 кВ, обеспечивающей ток замыкания на землю 6000 А, зигзагообразный трансформатор потребует кратковременной мощности 24,9 МВА. Эта прерывистая мощность соответствует постоянной мощности примерно 0,75 МВА, что позволяет батарее непрерывно выдерживать ток 180 А в нейтрали.

 

 

 

5.1 Проблемы защиты

Защита сетей среднего-напряжения с помощью зиг-заземляющих трансформаторов является сложной задачей. Дифференциальный блок трансформатора может не обладать чувствительностью для обнаружения внутренних замыканий на землю на стороне треугольника из-за присущего зигзагообразному ограничению тока в сочетании с влиянием коэффициента трансформации силового трансформатора и емкостного тока от фидеров среднего напряжения. Блок ограниченного замыкания на землю может повысить чувствительность, однако внешние фазовые-фазовые-замыкания на землю с насыщением трансформатора тока требуют особого внимания.

Обычные устройства сравнения направлений, которые сравнивают угол между током земли и нейтрали, непригодны. Вместо этого в качестве эффективной замены были предложены внешние детекторы неисправностей, которые контролируют дифференциальные блоки трансформаторов. Для направленной защиты нейтрали обычные устройства, сравнивающие напряжение нейтрали и углы фазы тока, неправильно активируют условия прямого замыкания на исправных фидерах; Направленные устройства, основанные на величине импеданса нулевой-последовательности, предлагают более надежное решение.

5.2 Применимые стандарты

Конструкция, испытания и применение зиг-трансформатора регулируются несколькими стандартами. IEEE C57.105-2019 описывает соединения и конфигурации трансформаторов в трех-фазных электрических системах, включая все комбинации треугольника и звезды, заземленных и незаземленных, тройниковых, зигзагообразных и других специальных соединений, охватывающих как двух-обмоточные, так и автотрансформаторы. Другие соответствующие стандарты включают IEEE C57.32 для устройств заземления нейтрали, IEC 60076-25 для резисторов заземления нейтрали и IS 2026/IS 5553 для тестирования и соответствия характеристик.

Важно признать, что IEEE C57.105 изначально был написан для распределительных систем с первичным напряжением до 34,5 кВ, хотя его принципы распространяются более широко.

 

 

 

6.1 Заземление нейтрали системы

Основное и наиболее распространенное применение зиг-загообразных трансформаторов — создание заземленной нейтрали для незаземленных-фазных систем-особенно вторичных цепей трансформатора, соединенных треугольником-, и незаземленных шин генератора или инвертора. Это приложение выполняет множество важных функций: снижает нагрузку на изоляцию от перенапряжения при замыканиях на одну линию-на-землю, обеспечивает определенное опорное заземление для релейной защиты и обеспечивает непрерывную работу в несбалансированных условиях.

В фотоэлектрических и распределенных системах энергоресурсов традиционным инверторам часто не хватает надежного нейтрального соединения, что приводит к дисбалансу напряжения и неэффективному заземлению. Зиг-заг-трансформаторы создают стабильный путь с низким-импедансом к земле, стабилизируя систему в условиях неисправности. Для сетей среднего-напряжения с высоким-сопротивлением заземления зигзагообразный заземляющий трансформатор в сочетании с резисторами заземления нейтрали обеспечивает чувствительность обнаружения неисправностей без необходимости немедленного отключения-конфигурация, обеспечивающая надежную защиту критически важных промышленных процессов.

 

Функция трансформеров Zig Zag:

Ветровые электростанции

• Обеспечивает искусственную нейтральную точку для систем сбора среднего-напряжения (например, 35 кВ) для обеспечения заземления.
• Обеспечивает путь с низким-импедансом для одиночной линии-к-замыканиям на землю, ограничивая перенапряжения.
• Подавляет тройные гармоники (3-ю, 9-ю и т. д.) от преобразователей ветряных турбин.
• Меньше и легче, чем заземляющие трансформаторы Δ-Y, идеально подходят для морских ветроэнергетических установок.

Солнечные (PV) системы

• Устанавливает опорное заземление для стороны переменного тока инвертора, где нейтраль недоступна.
• Уменьшает трех-несбаланс фаз и гармоники,-генерируемые инвертором
• Улучшает возможности работы при низком-напряжении-через (LVRT), предотвращая отключение
• Может служить интегрированным индуктором фильтра в фотоэлектрических + системах хранения.

Гибкие соединительные устройства в современных распределительных сетях продемонстрировали привлекательность зиг-заземления трансформатора как на стороне среднего-, так и на стороне низкого-напряжения, превосходя альтернативы заземлению с большим реактивным сопротивлением и заземлению средней точки при всестороннем сравнении характеристик.

6.2 Подавление гармоник

Зиг-заг-трансформаторы играют важную роль в уменьшении проблем с током нейтрали, вызванных нелинейными нагрузками. Трех-фазные четырехпроводные-системы распределения все чаще страдают от перегрузки нейтрального проводника из-за распространения импульсных-источников питания, преобразователей-частоты и других нелинейных электронных нагрузок. Первичная обмотка обычного распределительного трансформатора, соединенная треугольником-, устраняет тройные гармоники только в условиях идеально сбалансированной нагрузки; несбалансированные нагрузки по-прежнему генерируют нейтральные токи.

Зиг-заг-трансформаторы решают эту проблему, обеспечивая путь с низким-импедансом для тройных гармоник, сохраняя при этом высокий импеданс для токов основной частоты. Стратегическое объединение дельта--зигзагообразных трансформаторов с дельта--звездой позволяет подавить как 5-ю, так и 7-ю гармоники, эффективно обеспечивая 12-импульсную систему. В более крупных системах несколько небольших зигзагообразных трансформаторов, размещенных рядом с нагрузками, удерживают нейтральные токи локализованными, устраняя необходимость в нейтральных проводниках слишком большого размера и улучшая фундаментальный баланс токов нагрузки.

6.3 Интегрированное преобразование переменного-постоянного тока

Помимо традиционных функций обеспечения качества электроэнергии, зиг-заг-трансформаторы нашли применение в унифицированных системах преобразования переменного-постоянного тока, которые сочетают в себе сетевые (переменный ток) и фотоэлектрические (постоянный ток) источники питания. Индуктивности рассеяния обмоток зиг-заг-трансформаторов можно использовать в качестве интегрированных повышающих индуктивностей в унифицированных системах переменного-постоянного тока, что позволяет сократить количество компонентов и общий объем системы по сравнению с традиционными конструкциями с отдельными индукторами. Классические подходы с соответствующими выражениями индуктивности рассеяния для обмоток с прямоугольной геометрией поддерживают методологию проектирования.

К расширенным приложениям относятся трехступенчатые-шунтирующие зигзагообразные двойные-отводные-многоимпульсные-выпрямители с низким уровнем гармоник, где конфигурация зигзагообразного трансформатора поддерживает коррекцию коэффициента мощности и ослабление гармоник в высокопроизводительных-силовых электронных системах.

6.4 Лабораторные и исследовательские учреждения

Научно-исследовательские учреждения,-включая ускорители частиц и экспериментальные системы распределения энергии,-внедрили зигзагообразные-загообразные трансформаторы в качестве экономичных-эффективных решений для уменьшения нейтральных токов, вызванных нелинейными-электронными нагрузками. Относительно низкая стоимость, простота, легкость установки в существующие распределительные системы и способность локализовать нейтральные токи делают зигзагообразные трансформаторы привлекательными для экспериментальных условий, где качество электроэнергии напрямую влияет на измерения и производительность оборудования.

 

 

 

 

7.1 Определение требований к току замыкания на землю-

Первым шагом при выборе зиг-заг-трансформатора является определение желаемого уровня тока замыкания на землю-. Инженеры-проектировщики должны решить, полагаться ли исключительно на внутреннее сопротивление нулевой-последовательности трансформатора для ограничения тока или вставить внешний резистор. Для систем заземления с высоким-сопротивлением токи повреждения обычно ограничиваются 5–10 А для систем среднего-напряжения. Системы с низким-сопротивлением могут допускать токи повреждения 200 А и более.

7.2 Расчет номинальной мощности в кВА

Для заданного нейтрального тока () и напряжение системы-к-земле (), кратковременная-номинальная мощность в кВА для зиг-трансформатора составляет:

Также необходимо указать непрерывный рейтинг. Для 10-секундного устройства непрерывная оценка равна 3% от кратковременной, а для 1-минутного устройства требуется 7%.

7.3 Рекомендации по применению

В отличие от обычных силовых трансформаторов, заземляющие трансформаторы представляют собой устройства-прерывистого режима работы. Их способность выдерживать высокие токи короткого замыкания в течение короткого времени позволяет значительно снизить стоимость по сравнению с трансформатором непрерывного-режимного режима эквивалентной мощности. Однако проектировщики должны убедиться, что термическая стойкость соответствует ожидаемому времени отключения вышестоящих защитных устройств. Заземляющие трансформаторы могут быть предназначены для жесткого заземления или для использования с внешним резистором заземления нейтрали-последний обеспечивает гибкость в управлении величиной тока замыкания на землю-.

7.4 Установка и ввод в эксплуатацию

Правильная установка на месте имеет решающее значение для надежной работы. Пред-работа перед вводом в эксплуатацию должна включать испытание сопротивления изоляции, проверку коэффициента намотки и проверку-сдвига фаз. Целостность нейтрального пути должна быть тщательно проверена.-Обрыв любого фазового соединения с сетью может привести к неработоспособности функции заземления. Вводные испытания должны подтвердить, что трансформатор имеет низкое сопротивление нулевой-последовательности, сохраняя при этом высокое сопротивление положительной- и отрицательной-последовательности при нормальных условиях эксплуатации.

Для работы с частотой 50 Гц или 60 Гц корпуса должны соответствовать экологическим требованиям для установки внутри или снаружи помещения, обычно это вентилируемые корпуса типа 3R для наружного использования.

 

 

 

8.1 Чувствительность к непрерывности фазы

Фундаментальным ограничением зиг-заг-трансформаторов является их зависимость от всех трех подключенных фаз. Отсутствие однофазного подключения к сети нарушает взаимозависимое распространение тока в обмотках, исключая возможность проведения тока замыкания на землю. Такая чувствительность требует надежного подключения фаз и препятствует установке переключающих устройств, которые могут случайно создать условия обрыва-цепи.

В отличие от автономных защитных устройств, зиг-заземляющие трансформаторы должны оставаться в работе непрерывно, пока активен трехфазный источник питания. Если заземляющий трансформатор утерян, одно замыкание на землю-на-землю может вызвать высокие напряжения между фазой-на-нейтралью на неповрежденных фазах, а несимметрия нагрузки может привести к смещению нейтрали и перенапряжениям.

8.2 Насыщение при подаче постоянного тока

В современных энергосистемах подача постоянного тока-от инверторов, подключенных к сети,-геомагнитных возмущений или других источников-может вызвать насыщение сердечника заземляющего трансформатора. Насыщение снижает эффективность трансформатора в обеспечении пути заземления с низким-импедансом и может привести к перегреву. Для систем со значительным содержанием постоянного тока могут потребоваться особые меры предосторожности при проектировании или дополнительный мониторинг.

8.3 Сложность обнаружения неисправностей

Инженеры по защите должны понимать, что обычные дифференциальные реле могут оказаться недостаточными для обнаружения внутренних-замыканий на землю с помощью зиг-трансформаторов. Для комплексной защиты могут потребоваться специализированные схемы защиты-, включающие устройства ограниченного замыкания на землю, внешние детекторы замыканий и -направленные устройства, основанные на величине-.

 

 

 

Зиг-заг-трансформаторы являются важнейшими компонентами современных трехфазных электрических систем. Обеспечивая путь с низким-импедансом для токов нулевой-последовательности и одновременно обеспечивая высокий импеданс для компонентов положительной- и отрицательной-последовательности, они устраняют разрыв между незаземленными системами треугольника/звезды и преимуществами безопасности и эксплуатации работы с заземленной нейтралью.

Ключевые выводы включают в себя:

• Строительство: Шесть полуобмоток-перекрестно-соединены между фазами на трех-сердечнике.
• Принцип работы: Балансировка ампер-витков обеспечивает протекание тока нулевой-последовательности, одновременно подавляя сбалансированные токи.
• Основное применение: Заземление нейтрали для незаземленных трехфазных-систем (системы с питанием по схеме треугольника- или генератора).
• Преимущества производительности: более высокий КПД и меньший размер, чем у трансформаторов с заземлением звезда-треугольник.
• Вторичные приложения: подавление гармоник (особенно тройных гармоник), балансировка нагрузки, встроенное преобразование переменного-постоянного тока.
• Рекомендации по проектированию: Выбор основан на кратковременных-классах отказов (10 секунд или 1 минуте), непрерывной мощности 3–7 %.
• Требования защиты: Требуются специализированные схемы; обычной дифференциальной защиты может оказаться недостаточно
• Критическая установка: Необходимо твердофазное подключение к сети; отсутствие коммутационных устройств на пути заземления

Выбор между заземляющим трансформатором зиг-заг и звездой-треугольником в конечном итоге зависит от конкретных требований системы: потребностей в ограничении тока короткого замыкания, доступного бюджета и места, требований к снижению гармоник и желания обеспечить наличие вспомогательного питания. Для большинства применений заземления превосходный КПД зиг-заг-трансформатора, меньшая занимаемая площадь и лучшие характеристики по гармоникам делают его предпочтительным выбором для новых установок.